Качество поверхностного слоя деталей машин - Суслов А.Г.

Автор: Суслов А.Г.
Теги: испытания материалов товароведение силовые станции общая энергетика общее машиностроение машиноведение инженерия машиностроение материаловедение детали машин испытания
ISBN: 5-217-02976-5
Год: 2000
Похожие
Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности
Термопрочность деталей машин. Теория. Экспериментальные исследования. Расчет
Лабораторные испытания материалов на трение и износ
Методы структурного анализа материалов и контроля качества деталей
Текст
                    А.Г. Суслов
КАЧЕСТВО
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
ДЕТАЛЕЙ ШИН
V^
МОСКВА
МАШИНОСТРОЕНИЕ"
2000
б и & и и о f e н а

УДК 620. 191.31
ББК 34.41
С 90
Рецензент д-р техн. наук A.M. Дольский
Суслов А.Г.
С 90 Качество поверхностного слоя деталей машин. - М.:
Машиностроение, 2000. - 320 с, ил.
Рассмотрены вопросы оценки качества поверхностного слоя деталей машин и
их контактного взаимодействия. На основе теоретического и эмпирического
описания эксплуатационных свойств деталей машин установлена ж взаимосвязь
с параметрами качества поверхностей. Даны рекомендации по выбору и
назначению параметров качества рабочих поверхностей деталей машин исходя из их
функционального назначения. Теоретически описана взаимосвязь параметров
качествасусловиями механической обработки. Приведены данныепо
технологическому обеспечению параметров качества поверхностного слоя деталей машин и
раскрыты технологические возможности их повышения. Описаны методы и
средства контроля параметров качества поверхностного слоя.
Предназначена для научных работников, конструкторов, технологов
метрологов, занимающихся вопросами проектирования изделий машиностроения'
их изготовлением и контролем, а также может быть полезна аспирантам и студентам
вузов.
ISBN 5-217-02976-5 © Изд-во "Машиностроение", 2000 г
© Суслов А.Г., 2000 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 5
Глава\. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
МАШИН 7
1.1. Геометрия поверхности 7
1.2. Физико-химическое состояние поверхностного слоя 17
1.3. Комплексная оценка качества поверхностного слоя 21
I ■
Глава 2. КОНТАКТИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 25
2.1. Механика контактных перемещений 25
2.2. Моделирование шероховатости, волнистости и макроотклонений ..'.. 30
2.3. Математическое описание контактных перемещений выступов
шероховатости ?. 32
2.4. Контактное сближение твердых тел в статике 36
2.5. Контактное сближение твердых тел при скольжении 54
2.6. Касательные контактные перемещения твердых тел 55
2.7. Контактирование твердых тел при динамических нагрузках 61
Глава 3. ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
МАШИН НА ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА 67
3.1. Контактная жесткость 67
3.2. Трение и износ 92
3.3. Герметичность соединений 110
3.4. Прочность посадок с натягом 115
3.5. Сопротивление усталости 117
3.6. Коррозионная стойкость 120
Глава 4. ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 128
4.1. Изменение качества поверхностного слоя деталей при эксплуатации . 128
4.2. Выбор параметров качества поверхностного слоя 136
4.3. Определение значений параметров качества поверхностного слоя .... 136
4.4. Примеры назначения параметров качества рабочих поверхностей
деталей машин 147
Глава 5. ВЗАИМОСВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН С УСЛОВИЯМИ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ 153
5.1. Параметры шероховатости 153
5.2. Параметры волнистости 164
3

5.3. Макроотклонение 168
5.4. Механические свойства поверхностного слоя* 172
5.5. Обобщение взаимосвязи параметров качества поверхностного слоя
деталей с условиями их обработки 176
Глава 6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН . . 184
6.1. Плоские поверхности 184
6.2. Наружные поверхности вращения 195
6.3. Внутренние поверхности вращения 208
6.4. Поверхности зубьев, шлицев и резьб 215
6.5. Влияние технологического наследования на качество поверхностного
слоя 222
6.6. Методика технологического обеспечения параметров качества
поверхностного слоя 227
6.7. Примеры технологического обеспечения параметров качества
поверхностного слоя 236
6.8. Надежность технологического обеспечения качества поверхностного
слоя s 242
Глава 7 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 248
7.1. Упрочняющая обработка поверхностного слоя .. 248
7.2. Совершенствование существующих и разработка новых методов
обработки для повышения качества поверхностного слоя 263
7.3. Технологическое создание закономерно изменяющегося качества
поверхностного слоя 271
Глава 8. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 276
8.1. Контроль параметров шероховатости 276
8.2. Контроль параметров волнистости 292
8.3. Измерительные системы для шероховатости и волнистости
поверхностей на базе ЭВМ 295
8.4. Контроль макроотклонения 300
8.5. Контроль физико-механических свойств поверхностного слоя 306
8.6. Контроль несущей способности поверхностного слоя контактирующих
деталей машин 308
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одним из основных показателей качества машин является их
надежность, которая в значительной мере определяется
эксплуатационными свойствами деталей и соединений: износостойкостью, усталостной
прочностью, коррозионной стойкостью, герметичностью соединений,
прочностью посадок и др. Все эти эксплуатационные свойства зависят
от материала деталей, точности размеров и качества их рабочих
поверхностей. Как правило, все разрушения деталей начинаются с
поверхности. Таким образом, техническое решение проблемы повышения
качества машин в значительной мере обусловлено возможностью
технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей,
которое включает в себя как геометрические характеристики, так и
физико-химические свойства.
Учение о качестве поверхностного слоя за свою почти 100-летнюю
историю развивалось от неопределенного учета неровностей
поверхностей до комплексной оценки их состояния, учитывающей как все виды
неровностей (макроотклоневие, волнистость, шероховатость,
субшероховатость), так и физико-химические свойства (структура, фазовый состав,
химический состав» наклеп, остаточные напряжения, экзоэлектронная
эмиссия), и в настоящее время вызывает интерес ученых различных
направлений: механиков, физиков, химиков, метрологов и технологов.
Значительный вклад в развитие науки о качестве поверхностного слоя
внесли как отечественные ученые Н.П. Петров, Н.М. Беляев, И.А. Одинг,
СБ. Айнбиндер, П.А. Ребиндер, Б.В. Дерягин, А.С. Ахматов, М.М.
Хрущёв, А.Р. Петрусевич, Б.И. Костецкий, А.П. Соколовский, М.О. Якобсон,
ДМ. Толстой, СВ. Пинегин, Н.И. Зорев, Г.Б. Лурье, Е.И. Меламед,
А.С. Лесохин, И.В. Кудрявцев, В.М. Левин, П.И.Ящерицын, Д.Н.
Гаркунов, Е.Н. Маслов, А.И. Карташова, Ш.М. Билик, Г.М. Харач, Б.Г. Гуре-
вич, Ю.Г. Проскуряков, М.Л. Елизаветин, Н.Н. Давиденков, А.В. Подзей,
Н.И. Буше, В.А. Кудинов, Н.М. Любарский, А.В. Чичинадзе, Ю.Г. Шней-
дер, П.Г. Алексеев, Д.Д. Папшев, A.M. Дальский, Л.Н. Хворостухин,
А.С. Проников, Г.С. Лоповок, Д.Л. Юдин, С.С. Силин, И.М. Михин,
Ю.Н. Дроздов, И.С. Горячева, Л.М. Шустер, B.C. Лукьянов, B.C. Комба-
лов,А.И.Хусу, Ю.Г. Витенберг.В.К. Валетов, Ю.М. Голуб, В.И. Максак,
Ю.К. Новосёлов, Н.М. Добычин, А.Н. Овсеенко, В.Б. Ильицкий,
В.М. Смелянский, Q.A, Горленко, А.В. Тотай, B.C. Харченков, В.И. Авер-
ченков, В.И. Серебряков, В.П. Федоров, В.П. Тихомиров, Н.Н. Ильин,
В.В. Измайлов, А.П- Улашкин, - так и зарубежные: Н. Адам, К. Вайнгра-
бер, К. Джонсон, Е. Рабинович, Т. Хисакадо, Е. Салье.Х. Уайтхауз,
Дж. Шульман, К. Велиингер, Р. Боуэр, Ф. Линг, X. Чихос, Дж. Мак-Бен,
5

Р. Хольм, В. Гаркинс, И. Ленгмюр, Г. Эрлих, Д. Нара, Т. Накамура,
Д. Моор, X. Уте, X. Польцнер, Е. Ридил, Р. Уотерхауз.
Особенно следует отметить работы П.Н. Дьяченко, А.И. Каширина,
А.И. Исаева, А.А. Маталина, И.В. Крагельского, И.В. Дунина-Барков-
ского, A.M. Сулимы, Э.В. Рыжова, М.Б. Дёмкина, B.C. Мухина,
В.К. Старкова, В.Ф. Безъязычного, Ю.Р. Витенберга, X. Шмальца,
Г. Шлезингера, Ф. Боудена, Д. Тейбера, Т. Хисакадо, А. Адамсона, ЯЛ.
Рудзита.
В настоящее время в России значительное внимание вопросам
качества поверхностного слоя уделяют в научных школах Брянского
государственного технического университета, Института
машиноведения и Института проблем механики РАН, Московского государственного
технического университета (МВТУ им. Н.Э. Баумана), Московского
государственного технологического университета (Станкин),
Московского государственного авиационного университета, Московского
государственного авиационно-технологического университета,
Рыбинской государственной авиационной технологической академии,
Тверского государственного технического университета, Самарского
технического университета, Уфимского государственного авиационного
университета.
Данная монография посвящается памяти Заслуженного деятеля науки
и техники РФ, д-ра техн. наук, профессора Эдуарда Вячеславовича
Рыжова, основателя Брянской научной школы технологов, которая все
эти годы основное внимание в своих исследованиях уделяет качеству
поверхностного слоя деталей машин.
На базе этой школы только за последние 10 лет было проведено 5
Международных научно-технических конференций, на которых
большое внимание было уделено вопросам качества поверхностного слоя.
В 1995 г. был проведен Международный научный семинар ведущих
ученых, занимающихся изучением качества поверхностей деталей машин.
На нем в дискуссионной форме были подытожены результаты
исследований качества поверхности и определены приоритетные направления
дальнейших исследований. Среди схожих по смыслу понятий "качество
поверхности", "состояние поверхностного слоя" и "качество
поверхностного слоя" было рекомендовано понятие "качество поверхностного слоя
(КПС)", которое является Преемственным от качества поверхности и
одновременно расширяет его на физико-химические свойства
поверхностного слоя, что и определило название данной монографии.
Рассмотрение качества поверхностного слоя деталей на всех стадиях
жизненного цикла (проектирование, изготовление, контроль,
эксплуатация, ремонт, восстановление и утилизация) привело к зарождению
учения - "инженерия поверхности", которое займет одно из ведущих мест
в XXI веке, так как научная и практическая его реализация позволит
повысить конкурентоспособность промышленной продукции.
А.Г. Суслов
6
Глава 1
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Наружный слой детали, имеющий макро- и микроотклонения от
идеальной геометрической формы и измененные физические и химические
свойства по сравнению со свойствами основного материала, называют
поверхностным слоем (рис. l.l). Он формируется при изготовлении и
эксплуатации детали и по глубине может составлять от десятых долей
микрометра до нескольких миллиметров.
1.1. ГЕОМЕТРИЯ ПОВЕРХНОСТИ
Геометрия реальной поверхности любой, даже тщательно
обработанной детали, в значительной мере отличается от идеальной. На ней
имеются макро- и микронеровности различной величины, которые
оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства
деталей машин и их соединений. Оценка этих неровностей производится
различными методами, систематизация которых позволяет
выделить теоретико-вероятностный метод [24, 108] и практический метод,
последний базируется на условном делении неровностей поверхности на
макроотклонение, волнистость, шероховатость и субшероховатость
:
1
-/ 1 L_V
2 3 4
Л-Гхг
i<~_>*t ^
s5
-7
-в
— Л.—i_|
Рис. 1.1. Схема поверхностного слоя деталей:
/ - макроотклонение; 2 - волнистость; 3 - шероховатость; 4 - субшероховатость; 5 -
адсорбированная зона; 6~ зона оксидов; 7-граничная зона материала л юна материал;:
с измененными физико-химическими свойствами

[20, 24,91, 115, 116]. И при первом, и
при втором методах может
использоваться как параметрическая, так и
непараметрическая оценка.
Вероятностно-статический ме-
тод базируется на частотном делении
неровностей; в качестве
непараметрической оценки используются
спектрограммы, кореллограммы,
гистограммы и профилограммы всей
поверхности, а параметрической -
параметры этих кривых ос- и р-функ-
ции, у-распределения, частота / и
амплитуда Т.
На практике деление неровностей
на макроотклонения, волнистость,
шероховатость и субшероховатость
произошло и укрепилось исходя из их
Рис. 1.2. Форма макроотклонений: независимого формирования При
а - выпуклая; б - вогнутая;« - непарал- обработке поверхностей,
существующих средств измерения и выделения
шероховатости при нормировании
сначала чистоты, а затем качества поверхности.
Под шероховатостью, поверхности понимается совокупность
микронеровностей высотой 10" - 10 мкм с шагом, меньшим базовой
длины, используемой для ее измерения по ГОСТ 2789-73.
Единая неровность поверхности по всей ее длине или ширине
относится к макроотклонению', высота неровностей в зависимости от
точности и размеров детали изменяется от десятых долей микрометра
до нескольких миллиметров. Все промежуточные неровности между
шероховатостью и макроотклонениями относятся к волнистости
поверхности, высота которой может изменяться от 10~2 до 103 мкм.
Микронеровности j соизмеримые с размерами кристаллической решетки
и расположенные на шероховатости, относятся к субшероховатости.
Для непараметрической оценки всех этих неровностей могут быть
использованы профилограммы субшероховатости, шероховатости,
волнистости и макроотклонения, их опорные кривые, кривые
распределения ординат профиля, топограммы и др.
В данной монографии подробно рассматривается параметрическая
оценка макроотклонения, волнистости, шероховатости и
субшероховатости, которая реализуется в Брянской научной школе, занимающейся
8
Saw/.
Рис. 1.3. Волнограмма поверхности
изучением качества поверхностного слоя. Главной задачей при этом
условном делении является учет влияния всех неровностей поверхности
на ее эксплуатационные показатели.
Макроотклонение (отклонение формы) (рис. 1.2) характеризуется:
Нтах - максимальным макроотклонением, мкм;
Нр - высотой сглаживания (макроотклонения (расстояние от средней
линии профиля до огибающей), мкм.
Отклонение формы нормируется значением допуска формы
поверхности и рекомендована ее взаимосвязь с допуском на размер.
Волнистость (рис. 1.3) характеризуется:
Wa - средним арифметическим отклонением профиля волн, мкм:
Wa = (Mlj]\Yt\dX или Wa = £|r,|/JV,
(1.1)
где /н, - базовая длина; У,- - текущее значение ординаты профиля волн
(расстояние от точки профиля до средней линии);
dX- приращение абсциссы; N- число ординат профиля;
Wz - средней высотой волн, мкм:
wz= £я,+£я;
1-1
/5,
(1.2)
где Я, - текущее расстояние от средней линии до вершины волны;
#i - текущее расстояние от средней линии до впадины волны;
Wmax - наибольшей высотой профиля волн, мкм;
Wp - высотой сглаживания волнистости;
tpM, - относительной опорной длиной профиля волн, %:
V100"»'
(1.3)

где г)р - опорная длина профиля волн на уровне сечения профиля;
SmM, - средним шагом волн, мм:
Smw = £ Sm In,
1-Х
где Smw - текущее значение шага волн; п - число шагов;
Rw - средним радиусом выступов волн, мм:
(1.4)
Rw^ = ERw/л,
(1-5)
где Rw, - текущее значение радиуса выступа; л - число выступов волн.
Волнистость поверхности до настоящего времени в России не
стандартизована, поэтому на практике используют различные
отраслевые нормали и рекомендации. Так, в подшипниковой промышленности
при шлифовании колец (а 18...120 мм) класса Н (класса 0) волнистость
по высоте составляет 40...НО % шероховатости, а по классу С (4-5-й
классы)-15...60%.
В соответствии с рекомендациями Института машиноведения РАН
волнистость в зависимости от ее высоты подразделяют на девять классов:
Высота волны, мкм
Класс волнистости .
2
II
4
III
8
IV
16
V
32
VI
64
VII
125
VIII
250
IX
За рубежом параметры волнистости стандартизованы (табл. 1.1).
1.1. Стандартизованные параметры волнистости
Страна
Франция
Германия
Австрия
Япония

Великобритания
Высота

волнистости
Wt
-
- '
-
-
Средняя
высота

волнистости
W
W
W
W
Нг

Максимальная
высота

волнистости
Wmax
-
-
-
-
Средний
шаг
волнистости
Aw
Aw
Aw
-
-
Глубина

нивелирования

волнистости
Wp
-
-
-
-
Среднее

арифметическое

отклонение
волнистости
Wa
-
-
-
-
10
Рис. 1.4. Профилограмма шероховатости поверхности
Шероховатость (рис. 1.4) характеризуют следующие параметры.
Параметры по ГОСТ 2789-7 3:
Ra - среднее арифметическое отклонение профиля, мкм:
'[ N
Ra = (1/0/jrjrfJr или Ra = £ Y,IN, (1.6)
где / - базовая длина; У, - текущая величина ординаты профиля
шероховатости; N - число рассматриваемых координат профиля
шероховатости;
Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам, мкм:
/5,
(1.7)
где А, - высота /-го наибольшего выступа профиля; h, - глубина i'-й
наибольшей впадины профиля;
Rmax - наибольшая высота профиля, мкм;
Sm - средний шаг неровностей профиля, мм:
Sm = £Sm,/n,
(1.8)
где Sm,- - значение /-го шага неровностей по средней линии в пределах
базовой длины;
S - средний шаг местных выступов профиля, мм:
S = £ S/N,
где 5, - значение /-го шага по вершинам местных выступов;
(1.9)
11

tp - относительная опорная длина профиля, %:
tp = £t,P,// = ЧРЮО/Л (1.10)
где tip - опорная длина профиля на уровне/?.
Нестандартизованные параметры
шероховатости:
Rq - среднее квадратическое отклонение профиля:
Rq =
N
{\II)(Y?dX или Rq = А
Ег,2/»; ОН)
/-1
Rp - высота сглаживания профиля шероховатости, мкм;
Rv - глубина сглаживания профиля шероховатости, мкм;
кр - коэффициент заполнения профиля;
v и Ъ — параметры начального участка Кривой относительных опорных
длин профиля; ' ■
т,р = Ъ{р1\Щ\ (1.12)
рт- средний радиус выступов профиля, мкм (рис. 1.5):
р^Ер»,/». 0-13)
i-1 '
где рт - радиус г'-го выступа профиля шероховатости;
р - средний радиус местного выступа профиля шероховатости, мкм
(рис. 1.5):
Р = Ёр(/«. (1.14)
'■1
где р,- - радиус /-го местного выступа профиля;
Р - средний угол профиля шероховатости (рис. 1.5):
Р = Ё IV».
где р,- угол наклона i-ro выступа профиля;
Д - безразмерный комплекс Крагельского -Комбалова [41]:
12
Рис. 1.5. Выступ профиля шероховатости
Д = KmaxJ(pmbUv) или Д = (lOO/tpV'Rp/p,,,. (1.15)
t
В табл. 1.2 приведены параметры шероховатости, стандартизованные
в различных странах. \ ,
Для оценки шероховатости поверхности с регулярным микрорельефом
с успехом могут быть использованы приведенные выше параметры или
параметры по ГОСТ 24773-81. Наряду с профильной оценкой
шероховатости в научных исследованиях применяется и топографическая оценка.
Так, Я.А. Рудзит предлагает следующие микротопографические
параметры [79]:
Ra - среднее арифметическое отклонение микроповерхности от средней
плоскости;
N - число выступов на уровне у;
AfB - число вершин выступов;
hB - высота вершин выступов;
Нтах - высота наибольшего выступа;
ц - относительная опорная площадь;
ДА - градиент поверхности;
^co(y) ~ сРеДняя кривизна выступов на уровне у.
Для субшероховатости:
Rmaxc - максимальная высота неровностей субшероховатости, мкм;
Smc - средний шаг неровностей субшероховатости.
В последнее время для предотвращения процесса схватывания все
более широкое применение получают поверхности трения с
искусственными масляными карманами, оценка которых требует особого подхода.
Такие поверхности могут быть получены на пористых материалах или
в процессе отделочно-упрочняющей обработки (ОУО),
электромеханической обработки (ЭМО) на сглаживающих режимах, при магнитоабра-
зивной обработке (МАО), полировании, вибронакатывании, а также при
трении скольжения (рис. 1.6).
13

Рис. 1.6. Профилограммы поверхностей с
масляными карманами:
/ - пористый материал; 2 - отделочно-упрочняю-
щая обработка поверхностным пластическим
деформированием; 3 - магнитно-абразивная
обработка; 4 - полирование; 5 -
вибронакатывание; б - при трении-скольжении
Как видно из рис. 1.6, все эти
поверхности имеют масляные карманы с
большим шагом и большой высотой, а
также расположенную между ними
шероховатость с малым шагом и
меньшей высотой. Масляное карманы
представляют собой впад!ины от
исходной шероховатости при трении скольжения, ОУО, ЭМО, полировании,
МАО или канавки, получаемые при вибронакатывании. Шероховатость
между масляными карманами образуется при окончательной обработке
и трении скольжения ида является исходной при нанесении системы
канавок вибронакатыванием или для пористых материалов.
Результаты работы [75] по аналитическому определению
относительных опорных площадей поверхностей с масляными карманами
позволяют наметить подход к оценке их состояния. Анализ зависимостей,
полученных в этой работе, показал, что несущая способность таких
поверхностей будет определяться как характеристиками масляных
карманов, так и параметрами шероховатости поверхности,
расположенной между этими карманами. Для оценки масляных карманов
целесообразно использовать следующие характеристики: to', Rmax', Rp', Sm'.
Относительная площадь, занимаемая масляными карманами, в
процентах от геометрической to', в значительной мере определяет
несущую способность и маслоемкость поверхности:
где А и А' - геометрическая площадь контакта без учета и с учетом
масляных карманов соответственно.
Относительную площадь, занимаемую канавками t'o при трении
скольжения, полировании, ОУО, ЭМО и МАО, можно определять через
параметры исходной шероховатости, используя зависимости, полученные
в работе [75]:
15

Рис. 1.7. Общий вид профилограммы с масляными карманами:
1 - исходный профиль; 2 - масляные карманы; 5 - образовавшаяся шероховатость; 4 -
средняя линия масляных карманов; 5 - средняя линия образовавшегося профиля
to' = 100 -
50
Rmax, (100-р)
100(Rmax,-Rp,)
**1
0.17)
где RmaX|, Raj, Rpi - параметры исходной шероховатости;
у- величина снятого (износ, полирование, вершинное хонингование,
МАО) или пластически «сформированного (ОУО, ЭМО) слоя;
у = Rmax, - Rmax' (Rmax'-высота масляных карманов).
Высота сглаживания масляных карманов - Rp'; от этого параметра
зависит их объем, а следовательно, и маслоемкость поверхности:
Л-^Rp'.
100
(1.18)
Средний шаг между масляными карманами Sm', оказывающий
влияние на условия смазывания контактирующих поверхностей, зависит
от режимов предварительной обработки (при износе, ОУО, ЭМО,
полировании и т.д.) или режимов вибронакатывания и может
определяться с помощью приставки к профияометру с отсечкой высокочастотных
составляющих или непосредственно из профилограмм (рис. 1.7):
Sm' = ESnii
'In.
(1.19)
Что касается шероховатости поверхности, расположенной между
масляными карманами, то ее целесообразно оценивать системой
параметров, предложенных выше: Ra, Rmax, Rp, tm, Sm и S.
16
Имея эти параметры, а также предложенные характеристики для
оценки масляных карманов (to', RmaX', Rp', Sm'), можно определить
любые микрогеометрические характеристики поверхностей с системой
канавок, оказывающие влияние на их контактное взаимодействие. Так,
относительная опорная площадь поверхности на любом уровне р будет
определяться зависимостью
tp*
(100-to') &-,
100
(1.20)
где tp и to' - относительные длины профиля шероховатости и масляных
карманов на уровне р, определяемые по предложенным параметрам из
уравнений (1.16) и (1.17).
Аналогичный подход может быть применен и к оценке шабренных
поверхностей.
В 70-80-е годы большое внимание уделяли топографической оденке
геометрии поверхности! Это работы Н.Б. Демкина, Э.В- Рыжова [20],
Я.А. Рудзита [79], И.В. Дунина - Банковского [24] и О..А. Горленко [15].
При этом для непараметрической оценки микрогеометрии поверхности
используют топокарты» а для параметрической - те же параметры
шероховатости, но полуденные по топокартам. Анализ этих параметров
показал на их практическое совпадение с профильными, а сложности их
определения привели к практическому отказу от топографической оценки
микрогеометрии поверхности.
1.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Силовые и температурные воздействия на поверхность детали при
изготовлении и эксплуатации приводят к изменению физических свойств
материала в поверхностном слое. Поверхность детали по сравнению с
внутренним строением материала имеет ряд особенностей. Атомы,
которые находятся у поверхности, имеют односторонние связи, поэтому
они обладают нестабильным состоянием. Поверхность детали обладает
повышенной химической активностью и адсорбирует атомы элементов
окружающей среды как при обработке, так и при эксплуатации,
Все это влечет изменение физико-химического состояния
поверхностного слоя материала детали, которое может характеризоваться
упрочнением, остаточными напряжениями, структурно-фазовым
состоянием и химсоставом.
Для оценки упрочнения, как правило, используются параметры:
степень ин, глубина hH и градиент мг наклепа
^
Б И 5 Л и О ' £ >\ л
БоЯ"0'''В''с институт»
транс ;н pi ко)* aaittxttor! p.vt'Hs
17

■ 100%,
(1.21)
нМга„ " НцЯ(
(1.22)
где Нцтах - максимальная поверхностная микротвердость; Нцисх -
исходная микротвердость материала.
Эти параметры характеризуют деформационное упрочнение
поверхностного слоя. Пластическое деформирование может быть
охарактеризовано степенью пластической деформации по глубине
поверхностного слоя е и микродеформацией решетки.
Напряженное состояние поверхностного слоя характеризуется
остаточными напряжениями ±оост, глубинами их залегания ha и законом
распределения.
Н.И. Давиденков предложил классифицировать эти напряжения по
протяженности их силового поля:
• напряжения Ipoda (макронапряжения) охватывают макрообъемы,
соизмеримые с размерами детали (о^,.);
• напряжения II рода (микронапряжения) распространяются в
микрообъемах (отдельных зернах, блоках и их группах (о^);
• напряжения IIIрода локализуются в субмикрообъемах, линейный
размер которых соизмерим по величине с межатомным расстоянием
(°ост)-
Макронапряжения в детали возникают в результате воздействия
различных технологических процессов при ее изготовлении.
Остаточные поверхностные микронапряжения обусловлены наличием
в поверхностном слое дислокаций, дислокационных стенок (границ
блоков и ячеек), дефектов упаковки и других дефектов, вызывающих
деформацию и напряжения, которые убывают с увеличением расстояния
г медленнее, чем г5/2. Кроме того, микронапряжения появляются в
результате взаимодействия зерен между собой. Различие в степени
деформации соседних зерен приводит к появлению в них
микронапряжений.
При изменении температуры макронапряжения появляются вследствие
наличия в материале различных фаз, имеющих разные коэффициенты
линейного расширения а, а также вследствие анизотропии физических
свойств отдельных зерен, обуславливающий различие в величине а вдоль
разных кристаллографических направлений.
18
Точечный дефект вызывает упругую деформацию е - г~ . Таким
образом, на границе зерна (блока) деформация и напряжение от малого
дефекта имеют конечную величину, пропорциональную Л'3 (R - размер
зерна или блока). В то же время величина статических смещений атомов
из узлов решетки, обусловленных точечным дефектом, быстро убывает
с ростом г. Вызванные им статические искажения значительны лишь на
расстояниях, соизмеримых с межатомными. Статические искажения
решетки (напряжения III рода) в непосредственной близости от дефекта
уже нельзя определить в рамках механики сплошных сред. Напряжения
III рода можно характеризовать средним квадратическим статическим
смещением атомов из узлов решетки.
Структурно-фазовое состояние граничной зоны поверхностного слоя
имеет ряд особенностей [88]. У чистых Au, Pt, Pd при 20 °С, а также W
и Мо при низких температурах решетка в граничной зоне имеет иную
симметрию, чем в объеме^ У других металлов значения межплоскостных
расстояний (1Ш в решетке вблизи поверхности и в объеме могут
значительно различаться. Если поверхность кристалла совпадает с
кристаллографическими плоскостями, имеющими низкую плотность
упаковки атомов, то наблюдается сокращение dhkl в граничном слое на
5... 10 % по сравнению с состоянием в объеме. В то же время, если
поверхность совпадает с плоскостями, обладающими высокой
плотностью упаковки, то с точностью до нескольких процентов различие в
значениях dhkl не обнаруживается.
В граничной же зоне величины этих статических смещений для атомов
решетки различных компонентов могут отличаться в несколько раз.
Имеются отличия и в динамике решетки граничного слоя и объема.
Средняя квадратическая амплитуда тепловых колебаний атомов вблизи
поверхности в 1,5-2 раза выше, чем в объемах [89].
Зарождение дислокаций в граничной зоне происходит более
интенсивно по сравнению с их образованием в объеме [5].
Для оценки структурно-фазового состояния поверхностного слоя
деталей машин могут быть использованы следующие параметры [89]:
• размер /3, форма и распределение зерен по слою и их
кристаллографическая ориентация;
• размер и форма блоков /б;
• угол разориентации блоков аб;
• размер областей когерентного рассеивания <£»;
• среднее квадратическое смещение атомов из узлов решетки,
вызванное тепловыми колебаниями < U*>\
• статические искажения <t/2>;
• плотность дислокаций pD,
19

Pd~.UV>
(1,23)
где L - суммарная длина дислокационных линий в объеме V;
• концентрация вакансий су .
Су = Пу/П,
(1.24)
где г\у и п - число вакансий и атомов в данном объеме;
• число, концентрация и распределение фаз;
• тип кристаллической структуры фаз MS;
• параметры решетки фаз а, Ь, с или а, р, у.
В последние годы физическое состояние поверхности связывают с
экзоэлектронной эмиссией [89]. Под экзоэлектронной эмиссией понимают
явление нестационарной электронной эмиссии с поверхности твердого
тела, находящейся в возбужденном состоянии, при внешнем тепловом
или световом стимулирующем воздействии, с энергией ниже порога
возникновения стационарных эмиссионных эффектов. Для оценки
экзоэлектронной эмиссии используются параметры:
• интенсивность эмиссии /;
• работа выхода электронов ср;
• глубина выхода электронов Л.
Химический состав поверхностного слоя деталей может значительно
отличаться от химсостава материала. Это отличие объясняется
адсорбцией и абсорбцией химических элементов окружающей среды в
поверхность детали. Может происходить как химабсорбция, так и
физическая адсорбция, которая является неактивированной и
обратимой [89].
Важнейшими характеристиками процесса адсорбции являются
вероятность прилипания х, степень заполнения 8* и изотермическая
теплота адсорбции gst:
VUE<
(1.27)
в* - NJNV ,
(1-28)
я* - RT>
ове
приводящих к адсорбции;
dT)
6\
(1.29)
где 0ад - число столкновений молекул газовой фазы с поверхностью,
20
&s- общее число столкновений;
Naa - число заполненных адсорбционных мест;
/Vs- число доступных адсорбционных мест.
Если адсорбционные процессы протекают на поверхности кристаллов,
то абсорционные - внутри решетки. Абсорбция примесных атомов
приводит не только к изменению химического состава материала, но и
к образованию новых фазовых составляющих системы "металл -
примесь". Механизмы абсорбции различны. Основными из них являются
концентрационная и термическая диффузия, капиллярная конденсация
в порах, радиационно-стимулированная диффузия и др. Толщина
абсорбционной зоны обычно достигает мкм. Она состоит из
трех областей: области химических соединений, переходной области и
области твердых растворов [5]. Образование области химических
соединений протекает % при повышенных температурах (больше
300...600 °С); лимитирующей стадией является химическая реакция или
диффузия элементов [29]. Ререходная область характеризуется наличием
вкраплений различных фаз в матрицу сплава. Область твердых растворов
отличается от матрицы более значительными концентрациями
примесных элементов. ^
Для оценки химического состава поверхностного слоя деталей могут
быть использованы параметры [102]:
• профиль концентрации элементов в поверхностном слое с(Х);
• концентрация элементов в фазах Сф.
1.3. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА КА ЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Для комплексной оценки качества поверхностного слоя могут быть
использованы сразу несколько параметров.
Так для оценки несущей способности контактирующей поверхности
могут быть использованы параметры: шероховатости - Ra и tp или Rp;
волнистости - Wp, макроотклонения - Нр. Непараметрический подход
также позволяет комплексно оценить несущую способность
шероховатости или волнистости поверхности.
В последние годы все активнее начинают применяться так называемые
комплексные параметры, математически или физически объединяющие
сразу несколько отдельных параметров.
Одним из первых из них является комплексный параметр Крагельско-
го - Комбалова для оценки шероховатости поверхностей трения,
математически объединяющие отдельные ее параметры Rmax, pm, b и
v [41]:
21

Rmax
A = ^- С'30)
Преобразование этого уравнения позволило получить зависимость,
которая хорошо объясняет его физическую сущность как параметра,
определяющего несущую способность профиля шероховатости:
д = (lOO/tp)1/v(Rp/pm). (1.31)
Из формулы (1.31) хорошо видно, что чем меньше Д, тем выше
несущая способность шероховатости.
Пожалуй, первым комплексным параметром, учитывающим
шероховатость и физические свойства материала, является параметр
пластичности, предложенный Гринвудом [ИЗ] Для определения характера
Ra
Р
Е
деформации микронеровностеи - ttz\
Для поверхностей деталей, работающих на усталостную прочность,
роль шероховатости определяет коэффициент концентрации
напряжений а0, который после соответствующих преобразований принимает
вид;
оо = 1 + —^—(Rmax - \/RmaxRp). (1.32)
Вторая составляющая данного уравнения и может быть предложена
в качестве комплексного параметра для оценки качества поверхностей,
работающих на усталостную прочность, а именно:
С = -^- (Rmax - \/Rmax Rp). (1.33)
y tmSm '
Автором данной монографии и его учениками предложен ряд
комплексных параметров для оценки поверхностей деталей. Так, для
оценки несущей способности поверхности или ее контактной жесткости
установлен комплексный параметр, объединяющий шероховатость,
волнистость, макроотклонение и степень наклепа поверхностного слоя
[91]:
пЛта^нрЛ _ (134)
22
Для комплексной оценки качества поверхностей трения предложен
параметр, который наряду с вышеперечисленными характеристиками
включает и поверхностные остаточные напряжения II рода [77]
с _ (RaWzHmax)"6
* " ип^т'Ч2"*' (135)
где Я - коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных
напряжений II рода на износ.
/
Л
V °. )
(1.36)
ов - временное сопротивление разрушению; оа - действующее значение
амплитудного напряжения на поверхности трения; t - параметр
фрикционной усталости при упругом контакте [54].
Для оценки качества поверхностного слоя кулачковых пар трения
предложен аналогичный комплексный параметр - Ст [93]. Этот параметр
определяет: насколько удеТгьная мощность трения реальных поверхностей
кулачковых пар, имеющих макроотклонения, волнистость,
шероховатость и измененные физико-химические свойства поверхностного слоя,
отличается от удельной мощности трения в идеальном случае:
Р fa v
т 7Г о • (137)
где / - коэффициент трения; qc и у - контурное давление и скорость
скольжения; Р и Qya - соответственно удельная мощность трения
реальной поверхности и идеальной.
Для оценки цилиндрических поверхностей, образующих соединение,
передающее осевые нагрузки или крутящие моменты, предложен
комплексный параметр, характеризующий их металлоемкость [92]:
Сп = Rp + Wp + Hp. (1.38)
Качество поверхностного слоя деталей, образующих герметичные
соединения, могут быть охарактеризованы комплексным параметром,
определяющим приведенный воздушный зазор от одной поверхности под
нагрузкой [36]:
23

/
С = Нр + Wp + Rp
(RaWz)"
(H^J1
,0,25
1+2л-
1
2
£„Ra
Hl^Sm
(1.39)
где цп и Еп - коэффициент Пуассона и модуль упругости поверхностного
слоя.
Комплексный параметр качества поверхностного слоя для оценки
коррозионной стойкости деталей имеет вид [97]:
Ск = (1,1 «н4+4«н3- 4,1 А 28-10' —^-г]2", (140)
V tm'Sm2,/ ч '
где Rv - глубина сглаживания профиля шероховатости (расстояние от
линии впадин до средней линии).
Аналогичные комплексные параметры качества поверхностного слоя
могут быть предложены и для оценки других эксплуатационных свойств
деталей машин и их соединений. Однако наиболее перспективным
направлением является установление такого комплексного параметра
качества поверхностного слоя деталей машин, который оказывает
влияние практически на все эксплуатационные свойства. В настоящее
время в качестве такого параметра может быть предложен параметр С,
характеризующий равновесное состояние поверхностей трения:
HpWpRp4
Sm4'V
(1.41)
Анализ показывает, что этот параметр достаточно хорошо
характеризует несущую способность поверхностного слоя деталей машин,
определяющую ее эксплуатационные свойства.
Глава 2
КОНТАКТИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Взаимосвязь эксплуатационных свойств контактирующих деталей
машин (контактной жесткости, трения и износа, герметичности,
прочности посадок, фреттинг-стойкости, статической и динамической
поверхностной прочности, теплопроводности) с параметрами качества
поверхностного слоя мфжет быть установлена через рассмотрение
физической картины контактирования твердых тел.
»
2.1. МЕХАНИКА КОНТАКТНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Учитывая, что все реальные контактирующие поверхности деталей
имеют макроотклонения, волнистость, шероховатость и
субшероховатость, первоначальный их контакт должен произойти только в трех
точках. Напряжения в этих точках из-за малости фактической площади
контакта значительно превышают напряжения сдвига, возникающие на
критической глубине под поверхностью контакта. Даже при очень малых
нагрузках эти напряжения значительно превышают предел текучести
материала и вызывают начало пластических деформаций на вершинах
выступов шероховатости, вступивших в контакт [113].
Расчеты, проведенные по формулам работы [91], показывают, что
вершины выступов, вступивших в контакт, имеют переходный характер
деформаций от упругих к пластическим (табл. 2.1). Этот переход
обусловлен величиной критического сближения, которая определяется
через геометрические и физико-механические параметры
контактирующих выступов шероховатости поверхностей деталей машин. Если
контактное перемещение вершин выступов реальных поверхностей у<ук„,
то они будут иметь упругий характер деформаций, если же у > у то
вершины будут находиться в режиме пластических деформаций.
25

2.1. Расчетные значения критических сближений
Среднее

арифметическое
отклонение
профиля
Ra, мкм
4,0
2,0
0,8
1,8
0,9
0,45
0,25 «
0,24
0,14
2,0
0,9
0,50
0,25
0,12
Pnonl'
мкм
45
50
55
15
20
35
40
700
1000
300
500
630
750
900
Рпр|.
мкм
Укр'Ут
Взаимно
параллельное
расположение
следов обработки
У*Р
Ухт
Торцовое фрезерование
200
260
550
1,10
1,05
1,05
0,0067
0,005
0,01
0,018
0,022
0,03
Плоское шлифование
250
550
1200
1700
1,15
1,10
1,10
1,05
0,0039
0,0052
0,0097
0,011
0,011 .
0,015
0,027
0,03
Полирование
300
450
1,0
1,0
0,039
0,052
0,11
0,14
Вибронакатывание
410
560
860
1950
3520
1,8
1,3
2,0
1,5
1,5
0,085
0,067
0,22
0,19
0,25
0,23
0,18
0,61
0,52
0,73
„МКМ
Взаимно
перпендикулярное
расположение
следов обработки
Укр
Упп
0,0063
0,0074
0,0091
0,017
0,020
0,025
0,0027
0,0035
0,0062
0,0071
0,007
0,0096
0,017
0,020
0,038
0,05
0,10
0,14
0,085
0,067
0,215
0,18
0,24
0,23
0,18
0,55
0,50
0,67
26
Рис. 2.1. Исходная схема для расчета нормальных контактных перемещений:
1-1- исходное положение контактирующей поверхности; 2-2 - положение контактирующей
поверхности с учетом пластических деформаций выступов; 3-3 - конечное положение
контактирующей поверхности; (/-макроотклонение; //-волнистость; III-шероховатость)
Для поверхностей с Ra г 0,1 мкм можно принять с небольшим
допущением (0,01 мкм), что вершины контактирующих выступов сразу
же будут находиться в режиме пластических деформаций. Очевидно,
величина этих деформаций будет зависеть от образования площадки
контакта выступа, способной воспринимать приходящуюся на него
нагрузку, а именно: Ari = Pt I (С от).
Если этот процесс пластических деформаций рассматривать
применительно к реальной поверхности детали, находящейся в контакте
под действием нормальной нагрузки, то вероятно, что величина ее
пластических деформаций будет определяться формированием
фактической площади контакта с учетом шероховатости, волнистости
и макроотклонения (рис. 2.1):
Л, = Р/(С'от). (2.1)
Очевидно, эти пластические деформации будут иметь место при
первичном приложении нагрузки к контактирующим поверхностям.
Можно считать, что при повторном приложении нагрузки десятое
нагружение, по величине не превышающей первую, без взаимного
смещения поверхностей вершины выступов будет иметь упругий
характер деформаций. Увеличение нагрузки при повторном ее приложе-
27

нии на несмещенные поверхности выше первоначальной, очевидно, будет
вызывать переход деформаций вершин микронеровностей от упругих
к пластическим в диапазоне этого увеличения. Однако не следует думать,
что при постоянном увеличении нагрузки пропорционально
увеличиваются и пластические деформации. Очевидно, что с увеличением нагрузки
происходят структурные изменения, которые резко меняют структурно
чувствительные механические и физические свойства. Особенно сильно
увеличивается предел текучести. Так, для низкоуглеродистой стали,
деформированной до 70 %, от увеличивается в 2,2 раза, а для аустенит-
ной - в 4,2 раза.
Кроме того, увеличение нагрузки вызывает расширение зоны
пластических деформаций выступов до их оснований. Встречаясь между
собой у основания неровностей, зоны пластических деформаций как бы
препятствуют своему распространению и дополнительно взаимно
упрочняются.
Эти два фактора приводят к постепенному увеличению предела
текучести от С" от до С" от, а затем и до значения пластической твердости
HD, при котором выступы неровностей достигают своего пластического
насыщения (Ar = const).
Дальнейшее увеличение нагрузки будет приводить к небольшой
величине пластических деформаций в результате расширения зоны
пластического насыщения. При достижении напряжений на фактических
площадках контакта значений, равных ов, будут происходить их
контактные разрушения [57, 59]. Однако это уже относится к области
контактной прочности, а не контактной жесткости.
Очевидно, что смещение, поверхностей перед каждым новым
приложением нагрузки будет вызывать упругие деформации уже
пластически «сформированных вершин выступов и пластические
деформации вершин, ранее не контактировавших или имеющих
перемещение меньше критического. По мере многократных смещений
и повторных приложений нагрузки все большая часть вершин
микронеровностей будет деформировать упруго и все меньшая их часть -
пластически. Если связать это с процессом трения, то переход от
пластического характера деформаций вершин выступов к упругому будет
происходить в период приработки поверхностей. При смещении
поверхностей под нагрузкой в результате перераспределения площади
фактического контакта будут происходить дополнительные пластические
деформации.
Многократное приложение нормальных или касательных нагрузок
приводит к контактному разрушению пластически насыщенных
площадок контакта и образованию новых неровностей. Очевидно, что
этот процесс будет итерационным. Известно, что контактное сближение
28
поверхностей происходит как за счет деформации вершин выступов, так
и в результате деформаций нижележащих слоев. Эти деформации могут
происходить или за счет упругого погружения основания неровностей
в основной металл как жестких штампов [19,70], или вследствие упругого
погружения нижележащих слоев под действием нагрузки, распределенной
по фактическим площадкам контакта [91]. Учитывая, что материал
неровностей, как и основной металл, является упругопластическим, а не
жесткопластическим, при выводе формул для расчета контактной
жесткости соединений принимаем второе предположение о деформации
основного металла. Причем эти деформации также можно рассматривать
как упругие перемещения под действием равномерно или неравномерно
распределенной нагрузки на приведенные площадки контакта или как
перемещения под действием нагрузки, распределенной по фактическим
эллипсным площадкам крнтакта. Первый случай рассмотрен в работе
[91]. I
В данной книге приводится вывод уравнений для случая
распределения нагрузки по эллипсньгм площадкам контакта, что более
соответствует реальной картине. Очевидно, что фактические площадки контакта
будут упруго перемещатися не только под действием собственных сил,
но и сил, приложенных к соседним площадкам контакта, т.е. наблюдается
взаимное влияние площадок контакта друг на друга. Таким образом,
теоретические рассуждения показывают, что контактные сближения
сопрягаемых поверхностей происходят как за счет пластических
деформаций контактирующих выступов, так и в результате упругих
перемещений нижележащих слоев.
Все вышесказанное относится к области нормальных контактных
перемещений. Однако из ряда работ [47, 50, 54] следует, что при
приложении сдвигающего усилия к контактирующим деталям машин они
будут иметь касательные контактные перемещения. При упругом
нормальном взаимодействии выступов касательные перемещения также
будут упругими, переходящими в трение скольжения. Для упругопласти-
ческого характера нормальных деформаций касательные перемещения
контактирующих неровностей будут оставаться упругими только до тех
пор, пока не начнется процесс дополнительного углубления неровностей,
а следовательно, перераспределение площадей фактического контакта.
Затем упругие деформации перейдут в пластические, максимальная
величина которых определяется так называемым предварительным
смещением поверхностей,т.е. началом проскальзывания.Таким образом,
область касательных контактных перемещений ограничивается
предварительным смещением, при котором она переходит в сферу
трения - скольжения.
29

2.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ШЕРОХОВА ТОСТИ,
ВОЛНИСТОСТИ И МАКРООТКЛОНЕНИЙ
Теоретический анализ геометрических характеристик
контактирующих поверхностей показал, что распределение металла по высоте ординат
профиля шероховатости и волнистости целесообразно описывать
отдельными уравнениями до уровня средней линии и ниже средней линии.
Учитывая это обстоятельство, а также то обстоятельство, что результаты
экспериментальных исследований шероховатости и волнистости [92]
показали невозможность моделирования их неровностей по всей высоте,
очевидно будет правильнее производить моделирование отдельно
выступов и впадин. Расчеты, приведенные выше, продемонстрировали,
что вершины выступов шероховатости с небольшим допущением при
первоначальном их контакте деформируют пластически. Принятая
физическая картина контактных деформаций, не основанная на методе
суперпозиции шероховатости и волнистости, позволяет принять в
качестве модели геометрическое тело, для которого пока еще не решена
задача упругих деформаций.
В качестве такой универсальной модели, наиболее точно
описывающей выступы и впадины шероховатости и волнистости поверхностей
после различных методов их обработки, а также позволяющей
определить контактные сближения при v <, 1, может быть принят эллиптический
параболоид л-го порядка, уравнение которого в канонической форме
имеет вид:
У =
где ипоп и п - положительные рациональные числа.
Для этой модели сечения, получаемые от пересечения профиля
шероховатости с плоскостью, перпендикулярной средней плоскости,
представляют параболы л-го порядка (рис. 2.2, а), а с плоскостью,
параллельной средней плоскости - эллипсы (рис. 2.2, б), площадь
которых определяется уравнением
Ati = **'*'. (2.3)
где а' и b' - текущие полуоси эллипса соответственно в поперечном и
продольном направлениях.
Выразив а' и Ь' через текущее значение^, получим
(2.2)
30
Рис. 2.2. Параболы л-го порядками) и эллиптический параболоид (6)
Arl = nnb
ш
Rp,
пр/
(2.4)
Так, для шероховатости, учитывая, что полуоси эллипсов на уровне
средних линий соответственно равны
Smtm„
Smtm
200 '
b =
200 '
получим выражение для определения площади эллипса через
характеристики поперечного и продольного ее профиля:
tmSmtm-Sni (г~*7~)
4104Rpi;"-"RP;"'
(2.5)
где tm, tmnp, Sm, Smn Rp, Rp - относительная опорная длина профиля
на уровне средней линии, средний шаг неровностей и высота сглаживания
в поперечном и продольном направлениях.
Предварительные экспериментальные исследования показали, что для
точения, фрезерования, строгания в поперечном направлении характерны
профили 1,2 (рис. 2.3, п <, 1), в продольном направлении - профиль 4 (п -
- 4), для шлифования в поперечном и продольном направлениях -
профили 1, 2, 3 (и < 2), для виброобкатывания, магнитоабразивных и
31

Рис. 2.3. Профиль шероховатости,
моделированный параболоидами л-го порядка
электрохимических методов
обработки в поперечном и продольном
направлениях - профиль 3 (п = 2), для
накатывания и полирования в обоих
направлениях - профиль 4 (п = 4).
Достоинством данной модели
является ее универсальность,
позволяющая производить теоретические
расчеты контактного сближения
сопрягаемых поверхностей,
обработанных различными методами (v>0), и учитывающая топографию через
поперечный и продольный профиль. Кроме того, модель эллиптического
параболоида может быть использована для описания волнистости и
макроотклонений поверхностей деталей машин.
2.3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КОНТАКТНЫХ
ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ВЫСТУПОВ ШЕРОХОВА ТОСТИ
Рассмотренная физическая картина контактных перемещений вершин
выступов шероховатости требует своего математического описания. Из
физического рассмотрения процесса контактных деформаций следует,
что нагрузка, приходящаяся на отдельный выступ, определяется
следующим равенством:
N.
с°Л»
(2.6)
где площадь контакта единичного выступа Ан определяется уравнением
(2.5).
Подставляя уравнение (2.5) в формулу (2.6), получаем
N,
Со,
■ntmSmtm„„Srn,
{ 4-104Rp,*-Rp;j*j
п of
(2.7)
Выше было показано, что под действием силы #( происходит не
только пластическая деформация вершины выступа, но и упругое
32
погружение образовавшейся зоны пластических деформаций в основной
металл, величина которой для эллипсной площадки контакта может быть
выражена следующим уравнением:
I-ji2 ,Р%*ли = bjl-
>, • HtlT • - П"°
(2.8)
где/70 - давление на фактической площадке контакта, pQ = С от.
Производя интегрирование и ряд математических преобразований,
получаем
^f4if#fc(e)e'C'0*'
(2.9)
где ц - коэффициент Пуассона; к(ё) - эллиптический интеграл первого
рода; е - эксцентриситет |ллипсной площадки контакта;
■ш-
tmnpSmnpRPnp"
i
tmSmRp"-
С
1
ntmSmtm^Sro,,,,
^^lO^Rp'^Rp^
•„♦■«i
%««.
(2.10)
a' - меньшая полуось эллипса,
, _ tmSm
200
Rp CoT
",
( \
jttmSmtm^Sm,,,,
[ 4-10*Rp""-RP^j
"маяор
(2.11)
Отсюда уравнение для определения суммарного перемещения верщины
выступа будет иметь следующий вид:
33

N,
■nXmSmtmSm..
2Jt(e)i^_x
Co
[ 4-10*Rp""~Rp^j
tmSm
100
»,
RpC'oT
ntmSmtm^SnL
np np
\ЫШ
^4-10<Rp""~RPnp-j
(2.12)
Задача о перемещении вершин выступов значительно осложняется
при рассмотрении контакта между двумя выступами. Контакт двух
выступов, различных по форме и по физико-механическим свойствам,
приводит к внедрению одной неровности во вторую, а следовательно,
площадь фактического контакта будет определяться не площадью
сечения каждого выступа на уровне его пластической деформации, а
площадью сечения внедрившегося выступа на расстоянии сближения,
определяемого его пластической деформацией yi пл.
При одинаковых физико-механических свойствах соприкасающихся
выступов различной формы будет происходить внедрение выступа с
меньшими значениями п в выступ с большими п. Таким образом,
площадь соприкосновения будет определяться выступом с nmin.
Изменение взаимного положения контактирующих выступов с
параллельного на перпендикулярное также приводит к взаимному
внедрению выступов, и площадь фактического контакта при этом будет
определяться через поперечные полуоси эллипсов:
А. = -"-tm.Sm.f ?Щ ""-' tm,Smi ?Щ "-
(2.13)
Решение задачи о сумме контактных перемещений соприкасающихся
вершин выступов в общем виде приводит к следующим уравнениям:
- при взаимно параллельном расположении следов обработки на
контактирующих поверхностях (со = 0):
34
N.
У л
ntmSmtm^Sm
[{ 4.10<Rp""~Rp,;"*J
1 1
. + •
С'от1 Сатг
+ 2
| *,
ntmSmtmmSm„,
пр пр
|4-10*Rpl/--Rp^;
ятллщ
*«.♦«,
min
1
к(,
1 - ц? tm. Sm. ' - - 1 i
e) !2—! L(C'oTy "■—' +
n£, s 100
t
Rp,
l-p5tm,Sm, ('"r1-)
v z7 _ p inn v w
it£2 100
Rp2
(2.14)
при взаимно перпендикулярном расположении следов обработки на
контактирующих поверхностях (со = л/2)
N.
У<* =
я tnij Sm, tm2 Sm2
i4-104Rp"""'Rp"~,a
1 1
. + ■
Co,, C'ort
N.
я tm, Sm, tm2 Sm2
•/«_, „ "*~
{ 4-io4rp; -Rp; -1
(2.15)
35

*(<
1-jiftm.Sm. [1-1Г-) I
' •' _ p inn Tl к»
nE, 100
Rp,
""•_.*
я£2 100
Rp,
2.4. КОНТАКТНОЕ СБЛИЖЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
В СТАТИКЕ
При контактировании шероховатой поверхности с гладкой вначале
соприкасаются наиболее высокие выступы, а затем (по мере сближения
поверхностей в контакт) вступает все большее число менее высоких
выступов. Чтобы найти силу ЛГ,., приходящуюся на единичную площадку
контакта, необходимо определить число выступов, вступивших в
контакт, а для этого необходимо знать их распределение по высоте.
Как известно, фактическая площадь контакта на любом уровне может
быть выражена как произведение единичной площадки выступа на их
число:
А. = Л.
(2.16)
где Ari - элементарная площадь контакта, определяемая зависимостью
(2.5); пг - число выступов на уровне ут.
В то же время площадь сечения выступов шероховатости на уровне
ут описывается уравнением
i л ЦД I ■Упл I
(2.17)
где Ас - контурная площадь контакта.
Для поверхности, имеющей только шероховатость Ас = Аг, подставляя
уравнения (2.5) и (2.17) в формулу (2.16), получаем
400/feRp„
л «- «J
я Sm to-, Sm,,,, Rp""ш-
(2.18)
36
что, в свою очередь, позволяет определить величину нагрузки,
приходящуюся на один выступ:
ft
mN '"~"-C'oTtmSmtmroSm -I -*E-
АСаЛт) т щ щ
АЛ#\АсСоТХт) T " "P\RpJ
и контактное сближение шероховатой и гладкой поверхностей:
(2.19)
^об =
юоаг | ~^-;,
v AcC'oTtm
—— tmSmtmimSm„,
4-10* * *
Rp
'«.•"ЧО*»»)
»»("—♦»■)
Rp,
■или \о
<4fc_*V .
np
+ 2Jk(e)i-l^CoTMSE
■nE T 100
tmSmtin Smm
jq4 * np m>
100N
v AcC'ortm
± RpU-»4>)
Rp
«„♦«„о*»—)
«,«•«.♦ »j
(2.20)
Для шероховатой волнистой поверхности
А, = А.
Xmw
100
Wp
(2.21)
где Аа - номинальная площадь контакта; tm1(, - относительная опорная
длина профиля волн по средней линии; Wp - высота сглаживания
волнистости; vH,- параметр начального участка опорной кривой профиля
волнистости.
Учитывая, что Ar = NI (С от), получаем:
"пл
Rp,
wan
C'oT^etmtmw(yn]I/Wp)v-
(2.22)
37

Отсюда
100
\00N ( Rp
C'aTtm\ Wp
(2.23)
Подставляя уравнение (2.23) в выражение (2.19), получаем
4-104ЛГ f Wp^
М =
4-10"
AaC'oTtm\mw\ Rp
«„.«„,<«♦ О
(2.24)
х C'oTtmSmtmnpSmn))
Rp
Rpm
Из этого следует:
'об
V 4-10'
tm Sm tm„_ Sm_
4 пр пр
ю4 __n__| wp'y-
^,С oTtmtmwV Rp
„(.♦v.),
tmSm
100
(2.25)
x i —tmSmtni Smm
Ю4 np "
104JV f Wp
^C'0Ttmtmw\, Rp
««.%(»* vJ.
xRPV"~ «• ^Рпр"* "~"^J .
При контактировании двух шероховатых поверхностей первыми
вступают в контакт противостоящие выступы, сумма высот которых
окажется наибольшей. По мере увеличения нагрузки в контакт будут
вступать новые пары противостоящих выступов, обладающих все
меньшей суммой высот.
Если при контактировании шероховатой поверхности с гладкой
вероятное число контактов полностью определялось числом выступов
на данном уровне, то при контакте двух шероховатых поверхностей
определение вероятного числа контакта требует особого подхода.
38
Пусть функции распределения выступов по высоте для первой и
второй шероховатых поверхностей представлены в виде
Ф,(У,) = —; Ф20'2) = —.
где пгХ и пг1 - число выступов первой и второй поверхностей до
рассматриваемого уровня соответственно ух ну2; пс1 и пс2 - число всех
выступов первой и второй поверхностей.
Тогда вероятность встречи пары выступов равна произведению
вероятностей нахождения выступа в слое dnrX и dnr2:
dn . dn *
il = dlffyjd^iy}, (2.26)
nc\ nf2
откуда число контактов, образовавшихся от соприкосновения выступов
шероховатости контактирующих поверхностей, при их сближении на
величину упп следующее:
/* / Щх<1уд*гЫлУ\*У1- (2.27)
Учитывая, что распределение выступов по высоте до уровня средней
линии с достаточной точностью описывается степенной зависимостью
<p(y) = Dy^ и проведя интегрирование, получаем выражение для
определения вероятного числа контактов при взаимодействии двух
шероховатых поверхностей:
где
~ ' v : (2.29)
n tm(x+2/n)!
100Rp*jc!(2/n)! У '
39

о
1*
v>
ГЛ
О
m
wi
(N
О
(N
o„
«Л
о
(N
v-i
О
г*
NO
гч
г-
<Ч
Г*
r»
г-
о
_.
>
11
-
<ч
II
e:
t
гл
II
с
«л
о
•л
о
V»
II
с
—»
<=.
п
р.
•п.
о
к
л
*
к
*■*
«
*
4
^
*
W
>
\
ч\
л©
О
О
о
(Ч
*Л
о
о
г-
о
Оч
г-
о
о
о
г-
—
_/г-
*о
ГЧ
m
о
9
о
8
О
г-
о
ч->
NO
о
fM
о
ю
гч
о
а
о
3
о
vTN
«л
о
(N
.М
VI
Гч>
»л
ГО
Г-
о
я
о
о
о
сч
\г>
vO
С4
О
m
о
ТГ
40
X = v- 2/и.
(2.31)
Для отыскания факторов дробей в уравнениях (2.28) и (2.30)
используются таблицы гамма-функции Г(х).
Введя обозначения
х,-'х,1
(Х, + Х,)!
= *:
(2.32)
х!(2/я)!
(2.33)
получим
tm,tm2 ot^-xj
т = ",п.« : ~кк Ут
104Rp?Rp*'
(2.34)
Значения коэффициентов^: и к' для различных и, v и х приведены в
табл. 2.2. и 2.3.
2.3. Значения коэффициентов <:.,; kwl, /t, и )к2
u «J
1(2)
2(1)
3 (0,67)
4(0,5)
Х(Хи)
0,5
1,88
1,50
1,35
1,13
1,0
3
2
1,67
1,50
1,5
4,38
2,50
1,95
1,70
2,0
6
■ 3.
2,33
1,88
Учитывая, что
'пл ' пл! -^пл2
Rp,
100#
^ctm,C'oTl
"+Rp3
, 100JV
V ЛсХхагСа-а)
(2.35)
получаем
41

N.
^4ctm( trrij
lO^SmSiy^Rp^Rp?
Rp,
100JV
\ i
,4etm,C'oTlJ
••+Rp.
100 JV
Actm1C'atl
(2.36)
Отсюда величина контактного сближения двух шероховатых
поверхностей будет определяться следующими уравнениями:
• при и = 0 рад (0°)
Х> „_Х,
У л " —7
lO^SmSm^Rpj'Rp?
ntmSmtm^Sm^
пр пр
4104Rp""~Rp,
пр у
"'-,,'» tm,tm2
Rp,[-^-x
11 Actm{
Са^
X_!_r + Rp2l mN
ActmCor2/
1 1
■ + ■
|x,-x, ^C'oTl C'an/
fc,fc2fc
+ 2
,«iD„b
IQ^CSmSm^Rpj'Rp?
utmSmtm^Sm,,
пр ц
\ 4-104Rp""~Rp""-'
1
«_*,
tm, tm2
(2.37)
Rp,
100JV
v^tm,C'oT„
Rp2
100 N
AtXm2Con)
iJfti*tQ
I *2
i-vi
k(e.) —tm. Sm.(C'oJ
"l00n£ ' ' "
' \C-1,"п»1-Ы 1
Rp,
'4—.
+ fc(e2)^~^tm2Sm2(C'oT/" """--« l
№*E,
Rp2
i/«»
при ы = л / 2 рад (90°)
42
>\* =
lO^SmSm^Rpf'Rp?
я tm, Sm, tm2 Sm2
4-104Rp, ~'Rp.
i/«„
Rp5
WON
yAttmyC
Vl/v,
"Tl/
+ Rp3
100JV
^£tm2C'oT2y
/v (XHX,)
*,Jfc2*
.*Ч»_*>
CaT, C'aT2/
lO^SmSiy^Rpj-Rp?
я tm, Sm, tm2Sm2
"■-"..
'[ 4'104Rpi'|~*Rp"""--
t
1
"-"• tm,tm2
Rp,
100 N
\ "«i
^tm,C'oT,J
RpJ
100N
\„ (X,'X,>
Лсип2С'от2,
Rp
-i— i"-- fc(e,) "Ц' tm,Sm,(C'oTl)' "—>K
kik2k\ [V'M00n£, ' II *"
+ Jfc^-i^-tmjSm^C'o,/"""■■— l
100л£,
rp;"--
(2.38)
При контактировании двух шероховатых волнистых поверхностей
первыми вступают в контакт противостоящие выступы шероховатости,
сумма высот которых с учетом волн окажется наибольшей. По мере
увеличения нагрузки в контакт будут вступать новые пары
противостоящих выступов, имеющих все меньшую сумму высот. Вероятность встречи
пары выступов с учетом волнистости равна произведению вероятности
встречи пары волн на условную вероятность встречи пары выступов
(вероятность встречи пары выступов при условии, что встретились две
волны):
Р(АВ) = Р(В)РШ(А),
(2.39)
где Р(В) - вероятность встречи пары волн: РЛ(А) - условная вероятность
встречи пары выступов.
43

Так же, как и для вероятности встречи пары выступов, вероятность
встречи пары волн равна произведению вероятностей нахождения волны
в слое dnwi и dnwl:
Р{В)
dnw\ dnwi
(2.40)
где лн,, и nw2- число волн первой и второй поверхностей до
рассматриваемого уровня уплХ и упп2; па и,| и na wl - число волн от линии вершин
волны до средней линии волн первой и второй поверхностей.
Функцию распределения волн по высоте для этих поверхностей
представим в виде:
_^L = п Vх" -2- = D v
roll'
Аналогично запишем:
РМ)
"«»2
<Ч| dn.2
dn..\ dna.l '
(2.41)
(2.42)
где лв1 и ив2- число вершин выступов от вершины волн до уровней упл1
и ут1 для первой и второй поверхностей соответственно; па В| и па в2 -
число выступов по средней линии, имеющей форму волны на базовой
длине /б.
Функции распределения выступов по высоте при наличии волны
первой и второй поверхностей представим в виде
^il^ra!'
(2.43)
= Я.2>&-
(2.44)
Найдем связь функции распределения выступов по высоте при
наличии волны —- = Оъуш с функцией распределения выступов по
высоте для поверхности, не имеющей волнистости: — - Dy^.
44
На основе изложенного запишем:
"aw 'б
(2.45)
(2.46)
где /б - базовая длина при наличии волнистости.
Учитывая, что волна описывается моделью эллиптического
параболоида и-го порядка, запишем:
*
1 У
где и)(, - показатель степени;
et =
to„Smw
lOOWp""-
при этом Sm,,. - средний шаг волн по средней линии.
Тогда
(2.47)
(2.48)
/6 = jrf/= jf л/1 + V(x))2dx = 2[
о\
1 +
w ^(".- I)
dx.
Применив разложение в ряд Тейлора, получим
/ n^l/2f--l) «к4(//2)(4"-"3)
'6 = 2
2 2flw2(2«K-l) 8«С(4л„-3)
(2.49)
(2.50)
В этом уравнении взяты только три члена в ряду Тейлора, если же
возникает необходимость более точного подсчета /б, то их число
необходимо увеличить. Для nw - 2 имеем формулу:
L = -Jaw + r+—In—i
6 л v * о ->
(2.51)
45

Аналогично равенству (2.45) на основе изложенного запишем:
п I
".»". ''
(2.52)
где
Отсюда
/' = 2х = гаУ"'. (2.53)
la n
п,
1/и_
' In.
-У "■ (2.54)
Выразив равенство (2.44) через формулы (2.46) и (2.47), получим
'6
откуда
D.y* = -fDy" *""-\ (2.55)
•к
Я, = -у5 D: (2.56)
•в
X, = Х+1/як- (2.57)
Тогда число контактов при взаимодействии двух шероховатых
поверхностей с учетом волнистости следующее:
^и ^вмчшп^лвгаш ( [ (D^ydys(Dwly^)dy^
о о (2.58)
^(Dtly^)ldy](DB2y^y.dyi.
Интегрируя выражение (2.58), получим
т _ „ _ Xwl-Xw2"XBrX,2- Л П П П ,,<*« * *«* *•! * X,i) ,„ ,„ч
т. - "a».rainn.»mm—;—;—;—;DwiDwiD,\D4ywi > (2.59)
Xwl Xw2-X,i XB2-
где
46
tm«j х» + —^— + —'— I'
r\ _ ^ wnon wnp)
lOOWp^xJ
1 . 1
wnon wnp t
(2.60)
А. =
tm
lOORp* ,| 1 1
1 1
поп np
поп np /
(2.61)
Введя обозначения i
получим
Awl' Xw2'
(X„, + Xh.2>!
kw;
(2.62)
X.i'X,2'
(X.. + XB2)
= k.
(2.63)
1 1
wnp wnon / _ t .
1 1
wnp wnon/
(2.64)
1 1
np поп
1 1
+
V "np "поп/
= к',
(2.65)
47

/и. = п
в 10й-*
я,'в
С О
*»'%%'!*:и>2":1 ^2 :
tm^,i tn&tm, tm2 Smw| Sm^
Wp(x„ * "O Wpb-- '"^Rp z, Rpb^. />2'
;k£'x-*£*jH
(2.66)
Значения коэффициентов £и„ А:в, к', kw для различных и и л1(,
приведены в табл. 2.2 и 2.3 (для отыскания факторов дробей
использовались гамма-функции Т(х), значения v определены для п = п ).
i-1-i ПОП ПР'
Гак как
У«л
104ArRp"'Wp*"
V ^0to|tmwiC'oTly
(2.67)
lO^Rpj'Wpj-
\ i
Ajm^m^C'a^j
(2.68)
' 1012 *
Ve
И-'/п-Ь
_ , k,»kJc»\'cw\'c\ k2
tmltm2SmH.!Sm».2
WP^1'"-'Vp^1/^Rp*RP*V,2
lO^Rp^'Wp*'
■H.tmitI»»iC'0TiJ
(2.69)
r04iVRp2VlWPj'
( ^.tm2tmMC'ortJ
<Xi»X„+!/».,,)
С учетом полученных зависимостей контактное сближение
шероховатых волнистых поверхностей будет определяться следующими
уравнениями:
• при а) = 0 рад (0°)
48
\0nN
( ntmSmtm^Sm^
[ 4-104Rp1,"»-Rp1"'"']
•4и
awmm
min
( „ 1 )
"Л
, "aw',
1
^w^B^wl ^«2^1 *2
min
(l/C'0Tl + l/C'oT2)
tmw] tm^tm, tnijSm,,,, Smw2
Wp, Wp2 Rp, Rp2 /b1/b2
104WRp,
LV A°im\
Wp,"
tnVlC4l/
J х. + х.,*"",» I
104WRp2'Wp2"
Xj * x»i *i4,
+ 2
, ^etm2tmw2C'0rtJ
10122V
' Ktm&nt» Smnp X
"ft. np
i4t> 'Ч^о,,1'".,
\ 4-104Rp""°™Rp"''"';
4a . ' c *
wmmi и._/
tmwi tm^titi! tm2Smwl Smw2
Wp, Wp2 Rp, Rp2 /„/„j
(2.70)
*Л*-1*Й*1*2
»!.. . V.,
KTWRp/Wp,'
,4etra,tmwlC'aTlj
Xi*X.,-l/»»,
+
1
104/^Rp2,Wp2w
, H0tm2tmw2C'aT2
I X^Xrt*"»»,]
V »1 + ,« J
i-tf-
1
А(е)-:_Г'- tm, Sm. (С от)(1' ",'»—>._
1-й
100n£2
Rp04^
49

при со = л/2 рад (90°)
Уаб
1011N
ntm^m^mjSnij
i '«„«,■- i/«-
4104Rp, """Rp,
HA
n.J
(1/Сот, + 1/Сот2)
.* ♦_*
*w*»*wl *w2*"l *1"
Wp«« """Wp
Sm„
»*4»_Xl
*рГ*рГШ
104ArRp''Wp"'
^tm.tm^Co,,
| Xi*Xm*1/ii.,J
104Af
Л „ton,
1
Rp2'Wp.
2 ™F2
tm„., Co..
+ 2
10,2JV
ntm.Sm.tm,Sm.
I""M""2",1U2
•Чм~ 1/»..
4104Rp, RP:
7 V
(2.71)
4Ar_
naJ,
„2 ._J
iB.i.D ii
RprRP2'/.,/.2
*w*"»*wl*if2*l *2
W'tfRp/Wp
v..
■d.tnijtm^C'o.
| Xi«X«*1/».i|
1
lO^Rpj'Wpj-
^,tm2tmw2CoT2
t
Tl/
Hi
A:(e-)w5:tm'Sm'(C'^<,"""""J
„(-"««.-j
i-
\h
Rp' + * WiSjS-to.Sm.ff?^ - ""~->RP:
fl-"vJB„n\J
100я£.
50
1 #,
•
1 % .-
i ^
i
Ц
—
J
r '
-
r-i
v^
«5
=5}
1
|/v«
J
1
1 4I
г !
I
w*
Рис. 2.4. Картина упругих перемещений контактирующей поверхности:
/ - исходное положение контактирующей поверхности; // - положение контактирующей
поверхности после ее упругих деформаций
Фактическая площадк4 контакта, очевидно, имеет упругие
нормальные перемещения как под* действием собственной нагрузки,
непосредственно приложенной к ней уупс, так и под действием нагрузок 1-4,
распределенных по соседним площадкам контакта у вл (рис. 2.4):
У*
Ууп.с Ууплп'
(2.72)
Упругие перемещения под действием собственных нагрузок, как было
показано выше, определяются из уравнения (2.8). Упругие перемещения
от взаимного влияния будут складываться из отдельных ее
составляющих:
'уп.вл2.1 •'уп.мЗ.1 Уупля^Л
(2.73)
гДе З'уп.вл 2.1' ^уп.вл з.1и ^уп.вл 4.1 ~ упругие перемещения первой площадки
контакта под действием нагрузок, приложенных соответственно ко
второй, третьей и четвертой площадкам.
Каждая из этих составляющих упругих перемещений от взаимного
влияния может быть определена из уравнения теории упругости
tyO-M2)
v.EV
(2.74)
Здесь Ni - нагрузка, приходящаяся на соседнюю площадку контакта,
определяется равенством N(~NI m; Г - расстояние до этой площадки
контакта, определяемое из уравнения (рис. 2.5).
51

Зппртах «Я»(
ч
«от
«*
-?*
/
-<%&-"®
—^—©-■
Ч <$&> <?&> <%%> %2>
Ч\^ ® ф @
Cw
'"ртах
4& ^^
\
N
/
X
Лч
Рис. 2.5. Исходная схема для расчета /, nimax и т
птах " '"пр
- v^
(Sm^^ »пр)
(2.75)
где г'поп и г- число фактических площадок в поперечном и продольном
направлениях между взаимодействующими неровностями; Smmax и
Sm max наибольшие значения поперечных и продольных шагов
неровностей контактирующих поверхностей.
Сопоставление уравнений (2.8) и (2.74) показывает, что упругие
перемещения от взаимного влияния, очевидно, следует учитывать при
достаточно плотном расположении площадок контакта.
При взаимодействии реальных поверхностей фактические площадки,
очевидно, будут наиболее плотно сосредоточены по вершинам волн,
образуя как бы отдельные контурные площади контакта Ас ((рис. 2.5).
Причем, вероятно, взаимное влияние друг на друга оказывают все
фактические площадки контакта, расположенные внутри каждой
единичной контурной площадки. А наибольшему воздействию от
взаимного влияния микронеровностей будет подвержена площадка
контакта, занимающая центральное или близкое к нему положение.
Исходя из этого, упругие контактные перемещения реальных
поверхностей от взаимного влияния фактических площадок контакта друг на друга
можно выразить зависимостью
52
AN
гуплп
т^П т /2
Vtf >-^
*«* U-o <„-» /(Sm^OMSnVn,,)2
{ £»
-г )
, (2.76)
где тпоп и т - число фактических площадок контакта в поперечном
и продольном направлениях, расположенных в зоне единичной
контурной площадки А с t.
Учитывая, что полуоси эллипсных контурных площадей контакта
выражаются уравнениями:
а -о
Wp
(2.77)
с »= с
"' "' wPn
<'»..
(2.78)
где
X = Sm„tm»;
(2.79)
С* = 8т».пр1т».пр>
(2.80)
а также
получаем
I \
v^0tmtmwC'oT/
1
V* V
(2.81)
ю-
2Smwtm„
lOOSm^Wp
n„(v + v^)
AatmtmwC'oT/
1 io4^Rp" N
nw(v + vj
np
1«Ч«*р
10" ЛГ ».,(»♦ v„)
г__Д ЛвшптжС'от
(2.82)
(2.83)
53

•max и Smnp шах-
поп и тпР значения
При этом Sm)t, и Sm)t, пр - поперечный и продольный шаги волн
контактирующей поверхности, имеющей Sm
В уравнениях (2.82) и (2.83) при определении /и,
входных параметров соответственно подставляются для контактирующих
поверхностей, имеющих Smmax и Smnp max.
2.5. КОНТАКТНОЕ СБЛИЖЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
ПРИ СКОЛЬЖЕНИИ
Изменение сближения контактирующих поверхностей при их
скольжении было отмечено в работах [19, 54, 100]. Принимая вывод
Н.М. Михина [54] о равенстве средних напряжений в статике и
кинематике, достаточно легко получаем уравнение для определения контактного
сближения реальных поверхностей деталей машин при их скольжении.
Из работы [54] имеем:
Л«< = Ajt+T-
(2.84)
Здесь / - коэффициент трения скольжения; Ari и ArCKi - площади
единичного контакта в статике и при скольжении, которые
рассчитываются по следующим формулам:
• при взаимно параллельном расположении следов обработки на
контактирующих поверхностях (ш = 0)
*SmtmSmn|,tmnp;)>CT
(dri)
4-104Rp""—*Rp""—■
(2.85)
л Sm, tm, SnijUTij
V»».* "■»-»/+ уГ—Ь *■¥■*/
e-KHRp"""—Rp""""*
(2.86)
• при взаимно перпендикулярном расположении следов обработки
на контактирующих поверхностях (<о = 90°)
jiSm,tm,Sm2tm2,y,
А., ■- -
\*пм1 Яям1/
4104Rpj"'~,Rp24*
(2.87)
54
п Sm, tm, Snijtmj
(2.88)
8-104RpJ/"~,Rpi'"-
Так как ym = уш + ууп, то подставляя выражения (2.85) - (2.88) в формулу
(2.84), получаем следующее:
• при о) = 0
■ при со = 90
/_!_♦ _L_V U !_\Ь=-£к*
2^1 +Гу2г~ "^'-Ууп
2л/1
V УЛ Ууп
(2.89)
(2.90)
Эти уравнения могут быть .использованы для определения контактного
сближения поверхностей в процессе трения скольжения при наличии как
упругих, так и пластических деформаций (процесс приработки). При
упругом характере контактных деформаций (процесс нормального
износа) уравнения (2.89) и (2.90) примут следующий вид:
• при ш = 0
*машЬ*«^
= y<*(2/Tvi-l)w*,w;
(2.91)
• при со = 90°
JW-yrfPvW5-!)^"*
"■■«1*мД
*шшА
(2.92)
Анализ полученных уравнений (2.89) - (2.92) показывает, что если
контактное сближение поверхностей при упругопластическом
характере их деформаций в кинематике больше, чем в статике, то при
упругом характере контактных деформаций оно практически остается
неизменным.
2.6. КАСАТЕЛЬНЫЕ КОНТАКТНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Приложение сдвигающего усилия к контактирук>шим твердым
телам, меньшего силы трения покоя, приводит к возникновению каса-
55

тельных контактных перемещений. Касательные контактные
перемещения, как и нормальное контактное сближение, имеют важное значение
при расчетах на жесткость узлов точных приборов и прецизионных
металлорежущих станков, различных деталей машин, в частности
конических и цилиндрических прессовых соединений. Касательные
контактные перемещения могут иметь как упругий, так и пластический
характер. Упругие касательные контактные перемещения, имеющие место
при упругом характере нормальных деформаций и в начальный период
упругопластических касательных контактных перемещений, могут
быть определены из работы Миндлина [114]:
Х'/Уа
1-11 -«
(2.93)
* (1-Йя.и,
Здесь / - коэффициент трения покоя сопрягаемых материалов; уа -
контактное сближение деталей в статике; N(, T{ - нормальная и
касательная единичные нагрузки соответственно: Nt = Nlm, 7} = 77m; m -
вероятное число контактов; па и пь - определяются по таблицам,
приведенным в [65], в зависимости от соотношения А/В, которое
вычисляется по следующим уравнениям:
• при ш = О
A Sm2tm3Ra
В ^Sm^tm^Ra,^
• при о) = л/2 рад (90°)
Л (Sm2tmJRa)„
В (Sm2tmJRa)_
(2.94)
(2-95)
где Sm, tm, Ra и Smnp, tmnp, Ranp - средний шаг неровностей профиля
по средней линии, относительная длина опорной линии на уровне
средней линии, среднее арифметическое отклонение профиля
шероховатости соответственно в поперечном и продольном направлениях.
Величина %' по Миндлину [114] соответствует отношению
определяемого тангенциального сдвига к тангенциальному сдвигу тела с условным
коэффициентом Пуассона, равным нулю, и круговой контактной зоной
с диаметром, равным максимальному диаметру эллиптической
контактной зоны. Это отношение можно определить из диаграмм работы
[50] в зависимости от направления касательного усилия к следам
обработки контактирующей поверхности с минимальными наружным
amin и внутренним Cmin радиусами, а также от соотношения б, которое
56
определяется следующими уравнениями:
• при оз = 0
i _ ^mnpirontmnpinin
,RP
..fc-=).
SnWm^Rp ""
• при о) = к/2 рад (90°)
, Sm^tm^Rp
(2.96)
SnWm^Rp
"«, .
-£
(2.97)
Если Т =/Nit получим уравнение максимальной величины упругих
касательных контактных i перемещений (предварительное смещение
упругого контакта) \
х'/Уа
О -$)»Л
(2.98)
Для пластического контакта, по данным В.И. Максака [50] и
Н.М. Михина [54], при приложении к контактирующим поверхностям
тангенциальной нагрузки единичная неровность сместится на расстояние
dx = dyltgy,
где dy - величина углубления;
2tgy
tg<P
1 - tg2v
(2.99)
(2.100)
В нашем случае tg у = у/а^п ПРИ приложении касательного усилия в
направлении, перпендикулярном направлению следов обработки на
контактирующей поверхности с а^п; tg у = yfamax - для ш = л/2 рад (90°)
и tg у = y/Cmin - для ы = 0 при касательной нагрузке, совпадающей по
направлению со следами обработки на поверхности с amin.
Учитывая изложенное выше, имеем следующее:
1) при касательной нагрузке, приложенной перпендикулярно следам
обработки на поверхности с omin (ы = 0 и ш = л/2 рад), получим
57

tg<f>
2>«",
a'2 2
ram Уст
(2.101)
2) при приложении касательной нагрузки, совпадающей по
направлению со следами обработки на поверхности с amin, имеем следующее:
а) при со = 0
tgq> =
б) при ы = л/2 рад (90°)
2УстСтЬ ,
с'2 - г'
min Уст
(2.102)
2>„в_
' СТ IT
Так как
1£
amin = Я
С' = п
•-min n
^пм /ст
200 V RpJ
Sm^trnJ у V
.
200 ^ RPnpJ
min
%
(2.103)
(2.104)
(2.105)
Smtmf
m" [ 200 \ Rp
то при условиях:
1) при со = 0 и ш = л/2 рад (90°)
(2.106)
dx = ("Smtm)mn,y1/П""" - 4104Rp2/"-- d
400TtRp"""—-(Smtm).^0'""—" '>
(2.107)
2a) при со = 0
ЛвЛ-
dxu
(ttSm^tm^y "''■»-*-4-10<RP;
400nRp1'"— (Sm^tm^/1"*-'"
dy\
(2.108)
58
2б)прио) = тс/2рад(90°)
dxk
foSmtnoi»/4-
4104Rp
,4»„J'^
,0'»-,-')
-dy.
(2.109)
4007iRp""~—(Smtm)maxy^
Проинтегрировав уравнения (2.107)-(2.109) от.уст Д0^ск и приняв,
по Миндлину [114], что хк = {1 - [1 -{T/ftyf3} xk max соответственно
получим:
1) при касательной нагрузке, приложенной перпендикулярно следам
обработки на поверхности с amin (со = 0 рад и со = п/2 рад):
х. =
J Tt(Smtm),
800 Rp
, . , , lOORp""—"яп
i
(2«nommn " 0*
i.'—'-yJ "—
(Smtm)^
(2.110)
1-1
\2/3
/"J
2) при приложении касатЪльной нагрузки, совпадающей по
направлению со следами обработки на поверхности с amia:
а) при со = 0
П
l-(S^"V^-^-""IRp","',->-x
800 Rp
\ «„.J \ %-J
(SmnptmnPmi
б) при со = тс/2 рад (90°)
Ju(Smtm),
(2пт . - 1)п
v npmin '
Щ
(2. I'll)
.i/«,
„., г 2 100Rp"V-n,
""(Уок-З'об)-
800 Rp """•"-" (2япопгаах
ж ^об
(Smtm)m„
х •'max
1)я
(2.112)
( тЛ
ii '
•Ч wJ
2/3
.
59

При Tt =/Nj получим величину касательного смещения,
соответствующего началу проскальзывания (предварительное смещение):
1) при со = 0 рад (0°) и о = л/2 рад (90°)
г - "(Smtm)- /.» „*ч 100 Rp'"---*
800 Rp""—* Ряпопшп-Оя
■i--)-J-=)
(SmtmL
2 а) при ы = 0 (0°)
= n<SmnptnVW2 ,,.iv. IQORp"4^
800 Rp
>'•„-.
(v«-Ke)-
С2"™™," О*
1"^'-J""-'
(Smnptmnp)M
(2.113)
(2.114)
2 б) при со = л/2 рад (90°)
_ «(SmtmU 100Rp,4--«u.„
800Rp'4— (2и„опи« " 0*
(Smtm)„
(2.115)
Значение величины предварительного смещения особенно важно при
оценке фреттинг-процесса, прочности цилиндрических и конических
прессовых соединений. Анализ полученных зависимостей показывает,
что касательные контактные перемещения в значительной степени
определяются нормальным контактным сближением твердых тел,
взаимным расположением следов обработки на контактирующих
поверхностях и направлением сдвигающей силы.
60
2.7. КОНТАКТИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ Тел
ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
Динамичность нагружения характеризуется либо скоростью удара
v (т.е. скоростью деформирования, измеряемой в м/с) или скоростью
деформации е (в с-1), либо скоростью изменения напряжения о (в. Па/с),
которая зависит от скорости приложения нагрузки. Между скоростью
удара и скоростью деформации существует пропорциональная
зависимость. При статических испытаниях диапазон скоростей
деформации составляет от Ю-6 до КГ1 с-1, при ударных-от 10 до 106с-1,
Используемые обычно в расчетах характеристики материалов получены
на испытательных машинах со скоростями деформации 10—3— 10— с-1.
Однако даже традиционные виды технологической обработки
материалов проводятся со значительно большими скоростями: при прокатке
скорость деформации обычно лежит в пределах от 1 до 300 с-1, а иногда
достигает 1200 с-1, штамповка ведется при скоростях от 102 с-1 и выше,
при обработке металлов резанием могут быть достигнуты скорости 104
и даже Ю6 с"1, поскольку деформирование осуществляется в локальном
объеме заготовки. Современные же методы импульсной обработки
металлов (взрывные, магнитоимпульсные и т.д.) дают скорости порядка
106. Характерно, что импульсное нагружение материала на
микровыступах контакта осуществляется и при кинетическом трении, поскольку
время жизни единичного пятна контакта исчисляется микросекундами.
Однако, считая приложенные извне нагрузки стационарными, в расчетах
зачастую используют статистические характеристики материалов.
Скорость деформирования материалов, в основном металлов,
несущественно влияет на модуль упругости. Значительно она влияет на
механические характеристики, связанные с пластическими свойствами -
пределом текучести и прочности. Наиболее интенсивно динамический
предел текучести aD увеличивается по сравнению со статическим as при
скоростях удара до 10 м/с и может возрастать при нормальной
температуре в 2-3 раза. При увеличении скоростей удара интенсивность роста
предела текучести падает. Более чувствительны к скорости деформации
при нормальных условиях легкоплавкие металлы.
При повышенных температурах тугоплавкие металлы также
становятся более чувствительными к скорости деформирования. Если
брать статический предел текучести as, определенный при средней
скорости деформации Ю-3 с-1, и динамический предел текучести oD,
определенный при ударном нагружении со средними скоростями
61

деформации около 10 с" , то их соотношение при различных
температурах, согласно данным [21], будет следующим:
при гомологических температурах 6<0,4, т.е. в дорекристаллизацион-
ной области температур oD/as = 1 ...2;
при гомологических температурах 0>О,5, т.е. в зарекристаллизацион-
ной области температур oD/os может достигать 10.
На первый взгляд кажется, что увеличение скорости деформации на
шесть порядков вызывает увеличение предела текучести лишь на
порядок. Однако скорость деформации 10 с-1 легко достигается даже
на обычных ударных копрах, а для многих широко используемых
металлов точка рекристаллизации лежит ниже 600 "С, поэтому
десятикратное изменение численных характеристик механических свойств
следует считать весьма значительным.
У ряда конструкционных сплавов, в частности сталей, температурно-
скоростная зависимость напряжения может быть очень сложной,
поскольку при некоторых температурных интервалах материал
испытывает склонность к. хрупкости. Эти температурные зоны,
получившие у металлургов название зон хладно-, сине- и
красноломкости, обусловлены структурными и фазовыми превращениями. Изменение
скорости деформации может сдвигать эти зоны в ту или другую
температурную сторону. Но даже при нормальной температуре
приложение импульсных нагрузок по-разному сказывается на
механических свойствах сплавов. Например, согласно [32], для сплавов группы
железа изменение предела текучести при нормальной температуре для
скорости удара 10 м/с будет следующим: Армко железо - увеличение в
3 раза; сталь 45 - в 2,5 раза; ЗОХГСА - в 1,5 раза; ЗОХ - остается
постоянным; ШХ15 - уменьшается почти вдвое.
Были предприняты попытки [87] аналитически выразить зависимость
напряжения текучести от скорости деформации при фиксированных
температурах и степенях деформации. Эти зависимости могут быть
аппроксимированы для ряда металлов логарифмической функцией
aD = os + nlnit/t,) (2.1! 6)
или степенной
°D = asW*. (2.117)
(
где aD и os - напряжения текучести при скоростях деформации е и е0
соответственно; лит- экспериментальные константы.
62
При упругом ударе твердых тел не происходит изменений в
механическом поведении контактирующих материалов, однако рассмотрение этих
задач имеет практическое значение по следующим причинам. Реальное
контактирование всегда носит упругопластический характер, и для
рассмотрения этого сложного варианта необходимо прежде всего знать,
как ведет себя контакт в упругом случае. Кроме этого, если
первоначально упругопластический контакт подвергнуть воздействию нагрузок,
меньших по величине, чем предыдущие, то поведение контакта также
будет упругим.
Впервые расчет времени соударения при упругом контактировании
шаров был произведен еще Герцем, который считал, что соотношение
между контактной силой N и сближением у остается при ударе таким же,
как и в статике. Это соотношение можно представить в виде
»
f
к-Ку3», (2.118)
где для случая сферических поверхностей с радиусами Rl и R2 имеем:
-1
К-4
д,*2 (i-tf 1-ц^
3\|Я1+ЛД £, Ег )
(2.119)
при этом £j, Е2 и Ц), ц2 ~ соответственно модули упругости и
коэффициенты Пуассона материалов обоих тел.
Если начальная относительная скорость v0 соударяемых сфер с
массами тх и тг, то можно получить выражения [58] для наибольшего
сближения утах, наибольшей силы сжатия Nmax и общей
продолжительности удара V.
JW = OlSmvf/Q™; (2.120)
AU = ■*)& - Km(.L25mvtf»; (2Л21)
/ = 3.2130»1/v,Ji:2),e. (2.122)
Для получения зависимости контактной силы во времени необходимо
решение интегрального уравнения. В случае удара сферы радиуса R с
массой т, имеющей скорость (начальную) v0, имеем:
63

m(vrvJ + fN(t)dt = Q,
(2.123)
откуда
v= = v„
m
JN(t)dt,
(2.124)
где v,— скорость удара сферы в результате внедрения в полупространство
в любой момент времени / = /,-; N(t) - контактная сила, меняющаяся с
течением времени.
Интегрируя данное уравнение, получаем сближение сферы с
полупространством:
dt
y-y9t-[—jN(f)dt
т ■
о о
(2.125)
Подстановка в это выражение зависимости у = К{1^" между
сближением и контактной силой приводит к интегральному уравнению
относительно контактной силы
dt
K^N" = v,/- j—JN{t)dt
ж
о о
(2.126)
Использование алгоритма численного решения аналогичных
уравнений, предложенного в работе [65], позволило получить
зависимость между сближением и силой [74]:
у = K^Nm
(
где J- упругая постоянная
' IJNat^ '
( 4ДМД. /
i»6
J =
1-h2 1-tf
(2.127)
; X и б - коэффициенты,
£, Ег ,
определяемые в зависимости от комплекса геометрических и
механических характеристик поверхности.
В общем случае, если известна зависимость контактной силы от
сближения в виде N = Ку", можно получить [58] выражения для
64
определения максимальной контактной силы, максимального сближения
и времени соударения
N_
(л + l)mv02
IK
(2.128)
(и + l)mv„
2Л
(2.129)
< = 2,943^^/v,,.
(2.130)
В случае пластического контакта связь между сближением у и
радиусом отпечатка г можер быть приближенно выражена соотношением
г2 = yD,
(2.131)
где D - диаметр сферы. >.-
Тогда, зная давление н#контакте, можно получить усилие
вдавливания
N = пггд = nyDq.
По закону Ньютона запишем:
N = -т-
dt1
(2.132)
(2.133)
или
4!z ♦££*,. о.
dt1 m
Решение уравнения будет иметь вид
У = v0
sin,
Bill a
nDq \
tiDq
m
(2.134)
(2.135)
где v0 - начальная скорость соударения.
Максимальное сближение
65

т
nDg'
наблюдается в момент времени
/-£
2N
т
nDq'
(2.136)
(2.137)
которое определяет начало упругого восстановления лунки. Измерение
времени с помощью осциллографирования электросопротивления
контакта в процессе соударения показало удовлетворительность
последней формулы.
В этих же работах делается попытка первоначальной оценки
изменения предела текучести при ударе. Предполагалось, что существует
постоянный динамический предел текучести, не зависящий от скорости
удара и степени деформации. Было получено выражение для
динамического давления текучести
<?*> = И
0,5 mv.
(2.138)
nd4/32D
где d - диаметр отпечатка; е - коэффициент восстановления, равный
отношению скоростей сферы до соударения и после него.
Результаты испытания показали, что динамический предел текучести
больше статического, особенно у таких легкоплавких металлов, как
индий и свинец, и его значение возрастает с увеличением скорости удара.
В работе [32] проведены обширные экспериментально-теоретические
исследования по удару деформируемых конусов о жесткое
полупространство при нормальной температуре. Угол полураствора конусов
составлял от 25 до 75°. Конусы изготавливали из стали, дюралюмина и
латуни. Эксперименты проводили на маятниковом копре с
использованием новейшей измерительной аппаратуры. Результатом исследований
явилось создание удобной инженерной методики, позволяющей
определять максимальную силу и время при ударе:
Nmn = \,34т^/Уа
< = 1.45v /v0.
(2.139)
(2.140)
Таким образом, контактирование твердых тел при динамических
нагрузках в значительной мере определяется величиной пластических
контактных деформаций упл, зависящей от начальной скорости
соударения v0.
66
Глава 3
ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
СВОЙСТВА
Под эксплуатационными свойствами деталей машин и их соединений
понимаются: контактная жесткость, износостойкость, статическая и
усталостная прочность, герметичность соединений, прочность посадок,
коррозионная стойкость, статическая и динамическая поверхностная
прочность, фреттинг-стойкость, теплопроводность, т.е. свойства,
определяющие надежность и долговечность машин.
3.1. КОНТАКТНАЯ ЖЕСТКОСТЬ
Контактная жесткость Определяет способность поверхностных слоев
деталей, находящихся в контакте, сопротивляться действию сил,
стремящихся их сдеформировать [70]:
i-ph, > (3.1)
где р - удельная нагрузка, приходящаяся на геометрическую площадь
контакта; у - контактные перемещения.
Контактные перемещения составляют значительную часть в балансе
упругих перемещений машин и их узлов. Например, в суппортах
токарных станков контактные деформации составляют 80...90 % общих
перемещений, в одностоечных координатно-расточных и вертикально-
фрезерных станках - до 70 %, в двухстоечных карусельных станках - до
40 % и т.д. [66, 70].
Контактная жесткость сказывается на точности работы приборов,
на точности установки деталей в приспособлениях, на станках, на
точности обработки и сборки, т.е. на качестве машиностроительных
изделий. Как известно, все реальные поверхности деталей машин наряду
с шероховатостью и волнистостью имеют и макроотклонения, величина
и форма которых оказывают первостепенное влияние на вероятное
число контактов ти, а следовательно, и на контактное сближение деталей
машин.
67

Рис. 3.1. Схема контакта реальных поверхностей деталей машин:
ЛюпР "попР ^поп! и Лини! ^поп2: ^поп2 ~ поперечной профиль макроотклонения,
волнистости и шероховатости контактирующих поверхностей соответственно первой (/)
и второй (2) деталей; /Пр(; Нщ,,; Ш^ и I^l Hnpi Я/пр3 - продольный профиль
макроотклонения, волнистости и шероховатости контактирующих поверхностей соответственно первой
(7) и второй (2) деталей
Вероятное число контактов двух шероховатых, волнистых
поверхностей с учетом их макроотклонений можно определить из соотношения
т/т. = AJA,
(3.2)
откуда
т„ = т.
'А
(3.3)
где тв - вероятное число контактов, двух шероховатых, волнистых
поверхностей без макроотклонений, определяемое из уравнения (2.66);
А - геометрическая площадь контакта (рис. 3.1); Аа - номинальная
площадь контакта (рис. 3.1).
68
Lrm'nnp
ГГЯРь VaJL
Lmlnnp
Рис. 3.2. Схема к расчету площадей контакта при взаимодействии поверхностей, имеющих
макроотклонения:
/ - сплошной первоначальный контакт; 2 - первоначальный контакт по одной линии; 3 -
первоначальный контакт по двум линиям; 4, 5 и 6 - первоначальный контакт в одной,
четырех и двух точках соответственно
69

В зависимости от величины и формы контактирующих поверхностей
будут иметь место различные схемы их первоначального контакта
(рис. 3.2). Номинальная площадь контакта для первых трех схем будет
определяться зависимостью
А - I I
а К.ПОП к.пр •
(3.4)
а для следующих схем -уравнением площади эллипса:
А = -/ /
а * х.поп х.пр'
(3.5)
Эта зависимость верна при Дпр а урасч <; Дпоп, где
L
Hmax^i -= Нтах,,,
(3.6)
L
"""' Нтах^, ±
ГМ
Нтах^
(3.7)
' пр \ " ' пр
Знак "+" в формулах (3.6), (3.7) соответствует контакту выпуклых
поверхностей, знак"-" - контакту вогнутой и выпуклой поверхностей;
^min поп и -^min пр ~~ минимальные поперечный и продольный размеры
контактирующих поверхностей, определяющие геометрическую
площадь контакта; Ншахпоп и Нтах максимальная величина
макроотклонений соответственно в поперечном и продольном направлениях; у ч-
расчетная величина сближения, определяется из рассмотрения схем
линейных контактов.
Для схем 1-3 и 6 (см. рис. 3.2) Урасч = Упп, где упп - пластическая
деформация, обусловленная шероховатостью и волнистостью:
lO^RpI'Wp^'
^ 1
lO^Rpj'Wp'j*1
Aatm2tm„2C'<jT2
(3.8)
[Aatm}tmw]C'aT])
Для схем 4 и 5 (см. рис. 3.2) у ч определяется по рис. 3.3 и рис. 3.4:
/расч "а
(я.," О
СО""1
(»..-!),
A»in (2а„7> ± Lmin (2*„t)
(3.9)
70
3
^=Ж
11
ГУ
Lmin
-У,-Ьтх
Щ"Ь„х*С„
°)
№е«
Рис. 33. Исходная схема для расчета .Ур^ для схемы 4 (см. рис. 3.2); левая часть (о) и правая
часть (б)
где знак "+" - для схемы % (см. рис. 3.2); знак "-" - для схемы 5 (см.
рис. 3.2);
W+C,i
Рис. 3.4. Исходная схема для расчета j> ч для схемы 5 (см. рис. 3.2); левая часть (а) и правая
часть (б)
71

(Hmax,)1
!/■„
(Hmaxj -)
ПРИ Дпоп^расч £ Anp
minnon Чпр.с . minnon к.пр orrsin
(i Л
^
при Дпр<^расч &
"поп
пр2
V к.пр /
j _| ^.прг'
N IL
V
(L ■ I У":
v mm поп к.пр' •
(3.10)
minnp Jbnon.1 minnp к.поп
:arcsin
А/
\ К.ПОП /
(L I г"-
V minnp к.поп' hi I I \
ПРИ Дпоп<>'расч>Апр. H0Vc4<Amin + Дпр
А — / ШШПОП К.Пр.С К.ПОП.С
2
I2 ll -I2 I2
^yv^-'mmnon г.попл/V^minnp ~ чс.пр.с/
— - arcsin
2
2 -/2
ПОП 'к.ЛОПЛ
л il il -r г
к у ^'•пиппр ^^ттпоп *к.пр.с к.поп.в у
(3.12)
-arcsin
ll -I2
■'-'minnp *к.П]
\ >j ^тпртптпоп к.пр.с *к.поял t
• /г г \А
^ min пр min noiK
ПРи^расч^Дпоп + Апр
Л - I I
a min поп minnp"
(3.13)
Длины линий контакта /к, входящие в уравнения (3.5), (3.9), (ЗЛО),
(3.11) и (3.12), определяются следующими зависимостями:
72
к.поп ГТшппоп
^П01
^пмп
Урлеч
поп/
(3.14)
к.пр гтптлр
\ пр
*мл>
1.. \
^ф /
(3.15)
\-L
"тип
*и
^птпопр'т
N I
у -Л
•*р»сч пр
\-L
li/«MJ
(3.16)
глгр.е
■Урасч поп 1 *млш
Ар
*%
'minnp
•Hminnp
V -А
•'расч поп
Дпр /
(3.17)
73

Данные уравнения имеют общий вид, из них могут быть получены
частные зависимости для различных схем контактирования.
Таким образом, для определения контактного сближения реальных
деталей машин необходимо определить величину пластических
деформаций ут, расчетную величину сближения ^расч, номинальную
площадь контакта, геометрическую площадь контакта, вероятное число
контактов и единичную нагрузку Р( = Р/тм. Затем полученное значение
единичной нагрузки надо подставить в уравнение (2.70) или (2.71) и
определить величину контактного сближения. Полученные уравнения
являются универсальными, так как позволяют определять контактные
сближения плоских, цилиндрических, конических и сферических
соединений. Так, для определения контактного сближения соединения
вал -втулка в уравнения вместо L , и Lnp2 подставляют соответственно
ширину втулки Вт и длину вала L; для сопрягаемого диаметра вместо
Lnon | и Lmn2 подставляют соответственно сопрягаемые диаметры втулки
DBT и вала £>в; вместо Lmin поп и Lmin пр - соответственно DB и £вт; вместо
Нтах, и Нтах2 - соответственно DBT/2 и DJ2.
Учитывая вышеизложенное, нормальное сближение деталей машин
в статике можно представить в виде равенства
Ус = О»,, +>w) + 0'yni+:>'yn2)-
(3.18)
где уппХ и упл2 - пластические контактные деформации поверхностных
слоев под действием силы Р соответственно первой и второй
контактирующих деталей; у , и ууп2 ~ упругие перемещения нижележащих слоев
соответственно первой и второй контактирующих деталей.
Как уже отмечено, величина пластических деформаций
контактирующих деталей определяется формированием фактической площади
контакта с учетом ее шероховатости, волнистости, макроотклонения и
физико-механических свойств. Учитывая, что
АЛт,
А, = Atm„
[Wp
i/
и А, = Atra^
,получим
PRp^Wp'-Hp'"
lO'Cfc.'o^tm.ta^tm^
>l ' "»1 ',.'«!
(3.19)
74
Упругие перемещения нижележащих слоев под действием
приложенной нагрузки могут быть определены по формуле [12]:
rynl
TtCJfc, о,
1-H?
(3.20)
Аналогичный вид будут иметь уравнения для расчета пластической
и упругой составляющих контактных перемещений второй детали.
Учитывая довольно тесную корреляционную связь параметров Rp =
= 3 Ra, Wp = 0,6 Wz, Hp = 0,5 Hmax, а также принимая tm = 50 %; tmu, =
= 50 %; tmM = 50 %; С = 3, получим v = 2; v)4, = 2; vM = 2. С учетом
поправочных коэффициентов, полученных при расчете уравнений (2.70)
и (2.71) на ЭВМ, зависимости (3.19) и (3.20) примут следующий вид:
Ут = п
' InPRajW^Hmax/
AktaTi
\п
(3.21)
Гул!
2V
1-И...
^
fc.V.Sm^-.
1 Tl Ra
(3.22)
Уравнения для расчета нормального сближения контактирующих
деталей при скольжении (2.91) и (2.92) преобразуются к виду
>« = (2/^-1)^
(3.23)
Касательные контактные перемещения и предварительное смещение
деталей машин можно рассчитать по уравнениям, полученным после
соответствующих упрощений ранее полученных зависимостей с учетом
сделанных допущений:
nSm
16Rp2.
1- 1
fP
2/3
(ya-yJ.
(3.24)
*Sm0^->£)
*tmax
16Rp2
Для условий граничного трения, определяемого неравенством
(3.25)
75

Rp. + Rp2
l
v* + 4,
(2VTT7-1)
T]av
,1/3
(3.26)
(1,82- 0,68x)(RxE'fls \p'
нормальное контактное сближение может быть рассчитано по формуле:
У* = 0& + У'гий.+ У'уп\ + у'уп^^Т1 - 1) + А • (3.27)
В этих уравнениях х = RJRy (Rx и Ry - приведенные радиусы
кривизны контактирующих поверхностей и выступов волнистости); т|
и a - вязкость и пьезокоэффициент вязкости смазки; v - скорость
скольжения; Д - толщина масляной пленки; П, и П2 - комплексные
параметры свойств поверхностного слоя, определяющие несущую
способность контактирующих деталей машин [92]:
П,
Rp^Wp^Hp,2
\ i
.,♦4
(3.28)
Уш > Ут2н Ум > У^п2 ~ пластические и упругие контактные деформации
деталей при наличии смазки, определяемые из равенств
Up1\**<Ui
(3.29)
,;-,c4Jb£|V*
.\
(3.30)
где р* - давление на контактирующие детали при граничном трении,
определяемое из условия
А.
х.' х:
■ +.
. л; ла-л; <331>
хв' и хп - напряжения сдвига для смазанных и сухих контактирующих
поверхностей: т™ - напряжения сдвига смазки; Аг и А/ - фактическая
площадь контакта соответственно для условий сухого и граничного
трения.
76
Учитывая, что второе слагаемое уравнения (3.31) на несколько
порядков меньше первого, получим
А; - Л,х.Чх. (3.32)
или
p--.px.4x.. (3.33)
Подставляя выражение (3.33) в (3.29), а затем полученное значение - в
уравнение (3.30), можно рассчитать составляющие контактные
деформации деталей для условий граничного трения.
Как правило, все детали машин работают при динамическом
воздействии нагрузок, «вызывающих увеличение их контактных
деформаций, величина которых при внедрении шарового индентора в
плоскую поверхность может быть рассчитана по формуле [74]:
Р+Рп ( т')щ
М1пЭД ' (3'34)
где Р - нормальная статическая нагрузка на контакт; Ра - динамическая
нагрузка на контакт; Г- текущее время с момента действия вибраций;
Гнв - время испытания на твердость по Бринелю;
щ = mc + ka(PtP}; (3.35)
я7с-реологическая константа, характеризующая статическую ползучесть
контакта (временной показатель роста контактных деформаций при
отсутствии вибраций); кд ~ коэффициент, характеризующий
динамическую ползучесть контакта. Их значения (по данным Ю.В. Колесникова)
приведены в табл. 3.1.
3.1. Реологические и динамические характеристики контакта
различных материалов |74|
Материал
Сталь Ст5
Сталь 40
Чугун СЧ 21
Медь Ml
Твёрдость НВ, МПа
1100
1800
2100
800
тс
0,0052
0,0031
0,0035
0,0062
*д
0,0132
0,0163
0,0151
0,0324
77

Исходя из вышеизложенного, контактные перемещения реальных
деталей машин при дополнительном воздействии на них динамической
нагрузки могут быть рассчитаны:
(P + iyRp'Wp'-Hp'-1
^пл! "
lO'C^'o^tmtm^tm,,
■нв
v + vw ♦ vM
(3.36)
или при tm = 50 %, tm„, = 50 %, tmM = 50 %, С = 3, v = vM = v„, = 2
i/6
2 я(P + Pa)Ra2 Wz 2Hmax21 т Г
Ак{ат
■нв
(3.37)
О 45 / iJS 2fl 2S WpMflo
В)
О 05 W V Яр & Зрр,НПа
Рис. 3.5. Зависимость нормальных контактных перемещений от давления фрезерованных;
образцов из стали 45 (от = 360 МПа) с геометрической площадью контакта А - 2500 мм2 при
первом (о) и повторном (б) нагружениях:
/ - экспериментальная кривая; 2 - по формуле (2.70); 3 - по формулам (3.19) и (3.20); 4-
по данным работы [20]; 5 - по данным работы [92]
Рис. 3.6. Зависимость нормальных контактных перемещений от давления шлифованных
Образцов из стали 45 (от = 360 МПа) с геометрической площадью контакта А = 2500 мм2 при
первом (а) и повторном (6) нагружениях (кривые 1-5 соответствуют рис. 3.5)
78
112N.H-
Рис. 3.8. Зависимость контактного
сближения от нагрузки при контакте
шарового индентора с плоским образ-
Рис. 3.7. Зависимость контактных перемещений у от цом при v = 0,8 м/с и Ка, мкм:
нагрузки N при контакте шарового индентора с /-0,78; 2-0,26; 3 -0,15; 4-0,045;
плоским образцом в статике (1) и*кинематике (2) 5 - 0,020
Упругую составяющуюконтактных перемещений при этом
рассчитывают по уравнениям (3.20) или (3.22).
Экспериментальному исследованию
контактной жесткости, методам ее
измерения и оценке посвящены работы [19,46,
ЛК.Н**_
■МКМ
2.0
\ **■
: W
! «5
: 0
' If*
/
^
V
.*?....
J?
..'£.
^-т I
1
з,ор, мпа •
Рис. 3.9. Зависимость нормальных
контактных сближений от давления
при трении скольжения плоских
поверхностей образцов из чугуна
СЧ 21, обработанных шлифованием
(Ка = 0,7 мкм, Кр = 2,0 мкм, Sm =
= 0,036 мм, Wz = 5,0mkm, Wp =
= 2,9 мкм, Smw = 0,85 мм, Ншах =
= 0,5 мкм, к = 1,0) с геометрической
площадью контакта А = 314 мм2:
/ - экспериментальная кривая; 2 -
по формуле (2.89); 3 - по формуле
(3.23)
Рис. ЗЛО. Зависимость касательных контактных
перемещений от тангенциальных давлений плоских
поверхностей образцов из сталей 45 с геометрической
площадью контакта А = 314 мм2, обработанных
шлифованием (Ка = 0,9мкм, Кр - 2,6 мкм, Sm =
= 0,050 мм, Wz = 5,4mkm, \Ур = 3,2мкм, Smw =
= 0,95 мм, Ншах = 2,3 мкм, Нр = 1,2 мкм, к = 1,1:
/ - экспериментальная кривая; 2- по формуле (2.110);
3 - по формуле (3.24)
79

47, 70^ 74, 91]. Зависимость контактных перемещений от удельных
нагрузок при различном состоянии контактирующих поверхностей носит
параболический характер [19,47,70,91 ], что подтверждает достоверность
приведенных теоретических уравнений (рис. 3.5 - рис. 3.10, табл. 3.2,
табл. 3.3):
У = сРтг (3-38)
где Сит- коэффициенты, характеризующие контактную жесткость
деталей машин.
Значение этих коэффициентов позволяют рассчитать контактную
жесткость деталей машин [47]:
■ J* jjP1""- (3.39)
Учитывая, что детали обычно работают при различных нагрузках,
для оценки их контактной жесткости используют понятие средней
контактной жесткости [70]:
Л* = -£Pi"". (3.40)
где/? - средняя удельная нагрузка на контактирующие поверхности.
Отсутствие единой методики испытаний контактной жесткости
приводило к многообразию экспериментальных исследований и
противоречивости получаемых значений С, т и j Это вызвало
необходимость разработки специальных методических указаний по
экспериментальному определению контактной жесткости. Контактную
жесткость определяют с использованием образцов (табл. 3.4),
изготовленных из того же материала, что и реальные детали, а исследуемые
поверхности обработаны при аналогичных условиях, на специальной
автоматизированной установке (рис. 3.11).
Контактные деформации образца измеряют пружинно-оптическими
головками (оптикаторами) типа 01П-06П (ГОСТ 28798—90) с ценой
деления 0,5...0,1 мкм или индуктивными датчиками в комплекте с
усилителем и ЭВМ. Нагрузка измеряется тензодатчиками, наклеенными
на динамометр.
Деформирование поверхностного слоя образцов осуществляется при
помощи инденторов, изготовленных из стали и закаленных до твердости
НРС 62...63, с шероховатостью рабочей поверхности Rz = 0,05...0,10 мкм
по ГОСТ 2789-73. Форму и размеры инденторой, рабочую нагрузку в
зависимости от формы испытуемой поверхности образцов (плоская,
80

Рис. 3.11. Установка для измерения контактной
жесткости неподвижных стыков:
/ - измеритель контактных деформаций; 2 -
индентор; 3 - образец; 4 - направляющие
качения; 5 - динамометр; 6 - нагрузочное устройство
цилиндрических поверхностей
Л =
Л
наружная и внутренняя
цилиндрическая), их твердости и
шероховатости выбирают по
табл. 3.4 - табл.3.7.
После измерения
контактных деформаций образцов ух
и у2, соответствующих
нагрузкам р{чрг, определяют
коэффициенты контактной
жесткости т и С:
т - ii^w (з-4,>
ЧРг-^Рх К '
где/», и р2 - удельная нагрузка,
соответствующая усилиям Р, и
Рг и определяемая из равенств.
При измерении контактной
жесткости с учетом только
шероховатости:
■ для плоских поверхностей
Р\
бпг
сф?!
Рг =
(3.43)
(3.44)
4v/2%^
для наружных и внутренних
(3.45)
Рг
4v/2^
где гсф - радиус сферического индентора.
(3.46)
82
3.4. Схемы и размеры образцов для проведения испытаний
на контактную жесткость
Испытываемая
поверхность
Вид контроля, форма рабочей поверхности индентора и
схема расположения инденторов
Контактная жесткость с
учетом только
шероховатости поверхности
Контактная жесткость с
учетом шероховатости и
волнистости поверхности
Плоская
1а) 3 индентора со
сферическим основанием
16)3 индентора с плоским
основанием
ЗинН)
Наружная
цилиндрическая
2а) 2 индентора со
сферическим основанием
26) 2 индентора с плоским
основанием
!ияв2
«с*
Внутренняя
цилиндрическая
За) 2 индентора со
сферическим основанием
36) 2 индентора с
цилиндрическим основанием
2инд
№0°
120"
83

оо
Параметры
шероховатости, мхм
• Ra,
-
-
-
-
-
2.5-1.25
1,25-0,63
0,63-0.32
Rz,
320-160
-
160-80
80-40
40-20
20-10
-
-
-
''В числителе - максима,
3.5. Размеры инденторов и значения нагрузок для испытания на контактную жесткость
плоских поверхностей
Базовая
длина /6.
мм
8
8
8
2:5
2; 5
0,8
0.8
0,8
чьиоезначен
Радиус
сферы
'еф. мм
200
200
200
100
100
100
100
100
не Рг, в эна
Диаметр
инден-
тора, мм
- '
-
-
25
25
8
8
8
ченателе - м
Значение нагрузки1' Р, Н. при твердости НВ материала образца
200-500
570
280
ill
8700
4300
- 130
60
.540
270
1.5
6
3
20
10
ннимальное
500-1000
1140
570
4400
2200
17400
8700
260
130
1080
540
4,5
2,2
12
6
42
21 .
/V
■
1000-1500
1710
860
6600
3300
26000
13000
390
200
1620
810
7,0
3,5
18
9
64
32
1500-2000
2160
1080
. 8700
4350
35000
175000
480
240
2160
1080
9,0
4,5
24
12
84
42
2000-2500
2610
1300
10800
5400
43500
29000
600
300
So
12
0,6
30
15
ПО
55
.МПа
2500-3000
3000
1500
13000
6500
51000
25500
720
360
3200
1600
14
7
36
18
120
60
3.6. Размеры инденторов и значения нагрузок для испытания на контактную жесткость
наружных цилиндрических поверхностей
Параметры
шероховатости, мкм
Ra,
-
_
-
-
2,5-1.25
1.25-0,63
0,63-0,32
Rz,
320-160
160-80
80-40
40-20
20-10
_
_
_
Базо- ■
вая
длина
/6, мм
8
8
8
2,5
2,5
0.8
0,8
0,8
Радиус
сферы
'сф. ММ
200
200
200
100
100
100
100
100
Диаметр
инден-
тора, мм
-
-
_
25
25
8
8
8
Значение нагрузки Р. Н, при твердости НВ материала образца.
200-500
120
60
440
220
1760
880
40
20
150
75
1,0
0,5
1,6
0,8
6
3
500-1000
240
120
. №
440
3520
1760
80
40
300
150
1,2
0,6
3,2
1,6
12
6
1000-1500
340
170
. ~-ша-
660
5280
2640
110
55
440
220
2,0
1,0
4,8
2,4
17
8,5
1500-2000
440
220
1760
880
7000
3500
130
65
580
290
2,4
1,2
6,4
3,2
22
11
2000-2500
520
260
2200
1100
8800
4400
160
80
740
370
3,2
1,6
8,0
4,0
30
15
МПа
2500-3000
600
300
2640
1320
10300
5150
200
100
880
440
3,6
1,8
10
5
32
16
ОО

oo
On
3.7. Размеры инденторов и значения нагрузок для испытания на контактную жесткость
внутренних цилиндрических поверхностей
Параметры
шероховатости, мкм
Ra,
_
_
_
-
_
2,5-1.25
1,25-0.63
0,63-0,32
Rz,
320-160
160-80
80-40
40-20
20-10
-
-
-
Базовая
длина /6,
8
8
8
2.5 "
2.5
0,8
0,8
0,8
Примечание. Радиус сферы га
Длина ци-
линдричес-
хности ин-
дентора, мм
_
-
_
25
25
8
8
8 ■
Значение нагррки Р. Н, при твердости НВ материала образца, МПа
280-500
380
190
1440
720
5800
2900
86
43
360
180
2
1
4
2
1.4
0,7
500-1000
760
380
2900
1450
11600
5800
174
87
720
360
3
1,5
8
4
28
14
1000-1500
1140
570
4400
2200
17400
8700
260
130
1080
540
4,6
2,3
12
6
42
21
1500-2000
1440
720
5800
2900
23200
11600
320
160
1440
720
6
3
16
8
56
28
2000-2500
1740
870
7200
3600
29000
14500
400
200
1800
900
8
4
20
10
74
37
j, и радиус цилиндрических инденторов составлял 17 мм.
2500-3000
2000
1000
8600
4300
34000
17000
480
240
2160
1080
9
4,5
24
12
8
4
о
Ч
■й- ™
*$%
ИВ
rt
л
у<
►1
ч:
х ,
Р 43
S
*. so
О
Р Я!
S
и
Й
О
ft
X
X
i< я<43
м Е
w о rt
сг
О
й
р
тз
о 43
Й а
й
3
СР
rt
ft о *2
оо
1"?
а а ' ■ а' *Й
n :
v :
i i
рШШ1 1
нп !
t~ ш-\
f
1
u
v;
■ Й
cr
H
p
4
о
M
to н
2 »
E ж
x
о
Я
ft
•a
s
s
ft
X
H
p
Й
er
X
tr
x
в-
x
cr
s'x
X S
« n
— X
Ю I p
' о ж
to
о
О)
ч
х
о
"1
о
о
й
о
аа
Я
о
S
Sc
Р
№
S
о
S
2
о
о
н
S
"< О
43 Я
& *°
М ft
х to
rt n>
x й
s »
*r« ft
s -1
4з
•3
и
+ :
43
p
w
я
ft
X
s
S
to
x
а
so
Й
o"
Ж
P
м
X
p
1
43
•-<
W
?!
P
ft
О
О *
ft X
Sg
?! Ж
О Ч
X О
Н 43
Р О
3 «
н •
X
ё
?!
ft
о
ч
х
'8
. ч
, сг
' S
о
я
В"
ч
ч;
ft
2
cr
X
Я
О
ш
ft
43
X
ж
о
о
а\
43
р
ы
J=
О
W
W
W
ч
S
X
ч;
13
р
a
х
rt
х
s
io
X
fa
s
t-v
I
о
О
О
X
X
о
to
я
p
2
s
X
p-
E
Я
Й
S
X
%
я
№
X
ч;
ч
43
ft
X
X
s
X
s
Й
я
_w ft
?!
Я
x
я
о
в)
rt
43
X
.to
to.
to
й
&>
x
p
43
X
er
x
X
й
S
X
to
43
S
?!
S
X
я
о
ш
rt
43
X
■ X
о
о
Н
rt
St
Ж-
s
g 2 s
* s s
ы
Я
Й
о
о
?!
Я
о
со
rt
43
X
X
о
to
to
OJ
u>
u>
Ln
u>
t>l
Ul
oo
Q
s
rt
43
rt
ж
я
я
о
X
н
р
-i
X
о
St
*■
ft
о
?!
о
о
н
я
о
<<
X
ft
н
о
2
43
О
X
О
Ш
Р
ч
о
о
ч
я
я
со
о
й

.. "pO P»i Pinnp
Rp'Wp*'
С = ka RP'W^ ,
Pm Pmnp П(Ц>
Rp^WpS»
m = к,
np .
Р»НИ>
(3.54)
(3.55)
(3.56)
для образцов из стали 20Х (HRC 54...60) и 12ХНЗА (HRC 60...64)
Ар = *0 + *| RP + *2 WP + *,р- + *4Pmnp. (3.57)
С = 60 + *, Rp + 62 Wp + Ь,Ри + 64рипр1 (3.58)
/я = Ь0 + *, Rp + Ьг Wp + *3рм + *4р„
(3.59)
Значения коэффициентов &0, кх,к2, к3, к4, к5, входящих в уравнения
(3.54) - (3.56), для различных случаев контактирования плоских
поверхностей, приведены в табл. 3.8.
3.8. Значения коэффициентов А,-
■ */
*0
*|
*2
*Э
к4
*5
*0
*1
Первое нагружение
С
0,50
0,22
0,18
0,04
0,01
0,27
7,70
0,19
т
V
Для деталей из ста
1,70
0,04
0,03
0
0
0,13
0,14
0,33
0,26
0,07
0,02
0,83
Для деталей из ста
1,90
0,08
0,68
0,29
Повторное нагружение
С
т
V
ли при/> s 10 МПа
0,099
0,21
0,16
0,01
-0,03
0
0,64
0,07
0,05
0
0
0
54,80
0,32
0,28
0,06
-0,01
0
ли прир>10 МПа
0,59
0,42
0,28
0,09
56,20
0,30
88
Первое нагружение
к,
*2
h
к4
*5
*0
*1
h
къ
*4
*5
С
0,15
0,03
0,01
0,73
т
0,04
0
0
0,30
77,5-Ю3
0,17
0,04
0,32
-0,14
2,43
1,30
0,36
0,05
0,1#
о,з|
0,14
/Ф
0,21
0,07
0,02
0,66
Повторное нагружение
С
0,19
0,09
-0,04
0
т
0,10
0
0
0
^ср
0,21
0,07
-0,02 •
0,73
Для деталей из чугуна
29,6-10"9
0,20
0,04
0,24
-0,06
0,34
2,4-103
0,19
0,03
0,19
-0,03
1,65
1,28
0,04
0,03
-0,03
0
0,13
88,7-10"5
0,16
0,03
0,18
-0,04
1,69
Значения коэффициентов b0-b4, входящих в уравнения (3.57) - (3.59),
приведены в табл. 3-9.
3.9. Значения коэффициентов 6,
*/
*0
*|
Ьг
h
ь,
Н
С
Сталь 20Х
85,55/93,74
106,84/20,47
-78,42/-39,62
-0,16/0,043
0,0003/0,0025
-0,088/0,0258
1,57/0,1328
-0,26/-0,0038
-0,0002/0,000
0,0000/0,000
Примечание. В числителе даны значения для стали 20Х
для стали 12ХНЗА.
т
0,575/0,850
-0,5004/0,214
0,2256/0,155
0,0000/0,0001
0,000/0,0000
, в знаменателе -
Контактная жесткость соединений вала и втулки из стали 45 (HRC
20...25hHRC40...45):
• при первом нагружении
Д, - 0^6(HR(#*<HRQEV*lU*,,RC1,»"e-,1 (3.60)
89

m = 0.22Ra;o5Ra;f (HRC)^5(HRCt25,
С = 25lORa,010Ra,0;lorf0"e-01»(HRC);,:!(HRC)^3;
• при повторном нагружении
У, = 26,5rf»0SRa,-o'MRa;J09(HRC);0',s(HRC)„0',5e-0.»7,
m = 0,046RaJ04RaS;04rf,,:>«(HRC)10'2(HRC)^2,
С ~ 123,5Ra;010Ra^10e-00V-1-0«(HRC);0'6(HRQ^,
(3.61)
(3.62)
(3.63)
(3.64)
(3.65)
где Rag и Ra^ - среднее арифметическое отклонение профиля
шероховатости вала и втулки; б - номинальный зазор в соединении; d-
номинальный диаметр вала и втулки; HRCB и HRCBT - твердость материала вала
и втулки.
Касательная контактная жесткость цилиндрического соединения
деталей из стали 40Х:
• коэффициент касательной контактной податливости для упругих
деформаций (кт уп =хкуп/ туп)
Km = ~0'07 + °'001 RP. + 0.002 Wp, + 0,001 Rp,T + 0,004 Wp„; (3.66)
• коэффициент касательной
контактной податливости для
предварительного смещения (кхсм = хк max/tCM)
Рис. 3.13. Влияние параметров качества
контактирующих поверхностей образцов
из стали иа контактную жесткость при
первом нагружении и 10 МПа s p s
i 30 МПа:
1 - для взаимно параллельного
расположения следов обработки (ь> = 0); 2 - для
взаимно перпендикулярного
расположения следов обработки (ы = 90°)
Рис. 3.14. Влияние параметров качества
контактирующих поверхностей образцов
из стали на касательную контактную
жесткость
90
*,™ = °.57 + 0,007Rp, + 0,01 Wp, - 0.0006Н 0l + 0,0001 Rp,T +
(3.67)
+ 0,002WpBT-0,001 Нц0„,
где RpB, WpB, Нц0в и RpBT, WpBT, Нц0вт - параметры состояния
поверхностного слоя соответственно вала и втулки.
Экспериментальные исследования показали, что при первом
нагружении контактирующих поверхностей довольно большой процент
варьирования контактной жесткости приходится на поверхностную
микротвердость Н 0, тогда как при повторных нагружениях контактная
жесткость в основном определяется геометрическими параметрами Ra,
Rp, pm, Wz и Wp. При повторных нагружениях характеристики
волнистости (Wz и Wp) оказывают большее влияние на контактные
перемещения, чем при первом нагружении. Изменение взаимного
расположения следов обработки на контактирующих поверхностях с
параллельного на перпендикулярное ведет к перераспределению
значимости влияния отдельных параметров состояния этих
поверхностей на контактную жесткость (рис. 3.13 и 3.14). Так, если при взаимно
параллельном расположении следов обработки на сопрягаемых
поверхностях наибольший процент варьирования контактной жесткости
связан с высотными параметрами Ra, Rp, Wz и Wp, то при взаимно
перпендикулярном расположении следов обработки наибольшее
влияние на контактную жесткость оказывает поперечный радиус
микронеровностей.
Следует отметить, что при взаимно перпендикулярном расположении
следов обработки на сопрягаемых поверхностях продольный радиус
микронеровностей оказывает незначимое влияние на их контактную
жесткость.
Таким образом, результаты теоретических и экспериментальных
исследований контактной жесткости деталей машин показали, что она
определяется геометрическими параметрами: макроотклонения Нтах,
Нр; волнистости Wz, Wp, Sm,,/, шероховатости Ra, Rp, Sm, tp; взаимным
расположением следов обработки; степенью упрочнения мн (HJ; физико-
механическими свойствами материалов контактирующих деталей Е, ц,
от и условиями их работы. Основное влияние на контактную жесткость
оказывают при первом нагружении: нн (Н 0), Нр, Wp, Rp при повторных
нагрузках: Нр, Wp, Rp и Sm. Это указывает на широкие возможности
плосковершинных и отделочно-упрочняющих методов обработки на
сглаживающих режимах в повышении контактной жесткости как при
первой, так и при повторных нагрузках и отделочно-упрочняющей
обработки на упрочняющих режимах при первом нагружении.
91

3.2. ТРЕНИЕ И ИЗНОС
Наличие на поверхностях трения деталей машин макроотклонений,
волнистости, шероховатости, а также появление упрочнения и
остаточных напряжений, обусловленных технологией их изготовления, приводит
к определенным трудностям в применении имеющихся уравнений трения
и износа [43, 44, 103, 104], которые достаточно хорошо описывают
процесс для различных моделей. Согласно данным ряда работ,
классическая кривая износа имеет явно выраженные участки приработки,
нормального износа и катастрофического износа, что, как показывает
практика, характерно для малых площадей трения (при испытаниях на
машинах трения, износ резца при точении и т.д.). Наличие
технологического поверхностного слоя, иногда превышающего величину износа,
приводит к значительному изменению классической кривой износа для
реальных деталей машин.
В процессе трения и изнашивания деталей машин происходит
постепенное уменьшение волнистости и макроотклонения трущихся
поверхностей, что приводит к увеличению фактической площади
контакта и уменьшению напряжений на площадках контакта от от до о.
Это влечет за собой постепенное и медленное уменьшение интенсивности
изнашивания и наклона кривой износа. Одновременно по мере износа
в работу вступают новые поверхностные слои, имеющие другие физико-
механические свойства, что иногда вызывает отклонение величины
износа (от кривой износа) в сторону увеличения или уменьшения.
Только после комплексной стабилизации макроотклонения,
волнистости, шероховатости и физико-механических свойств
поверхностей трения, т.е. образования равновесного состояния поверхностного
слоя в целом, можно говорить о завершении процесса приработки [77].
Конечно, этот процесс может завершаться и раньше, когда еще имеется
определенная величина макроотклонения и номинальная площадь
контакта еще не равна геометрической. Но эту разницу компенсирует
повышенная степень упрочнения на данном уровне. По мере дальнейшего
износа и увеличения номинальной площади контакта степень упрочнения
уменьшается, а следовательно, несущая способность поверхности не
будет изменяться, т.е. будет сохраняться сформировавшееся комплексное
равновесное состояние поверхности трения при частичном изменении
его составляющих. Описанная картина изнашивания характерна для
плоских поверхностей трения (направляющие станков). Что же касается
цилиндрических поверхностей вращения, зубчатых зацеплений и резьб,
то постоянно изменяющаяся (увеличивающаяся) номинальная площадь
контакта в процессе износа не позволяет вообще говорить о периоде
нормального износа, так как постоянно будет происходить изменение
92
комплексного состояния поверхности трения. При этом постепенное
увеличение номинальной площади контакта может привести к
невозможности попадания смазки ко всем ее участкам, а следовательно, и
возникновению схватывания и интенсивного изнашивания поверхностей
трения [90].
Для цилиндрических возвратно-поступательных пар (плунжерные
пары) зазор минимален и приработка будет происходить за счет износа
выступающих неровностей (в начальный период трения); по мере их
изнашивания номинальная площадь растет, а затем с увеличением зазора
она уменьшается. Одновременно с этим уменьшается и номинальное
давление. В то же время увеличение зазоров приводит к увеличению
перекосов, а поэтому к возможности увеличения фактического давления
на контактирующих участках и, следовательно, к увеличению их износа.
Совершенно очевидно, что в процессе трения и изнашивания будет
меняться характер контактного взаимодействия поверхностей. Принимая
за основу разработанную автором физическую картину контактного
взаимодействия деталей машин применительно к трению и изнашиванию,
можно полагать, что смещение поверхностей перед каждым новым
приложением нагрузки <§удет вызывать упругие и пластические
деформации или срез вершин, ранее неконтактирующих или имеющих
перемещение меньше критического. После многократных смещений и
повторных приложений нагрузки все большая часть вершин
микронеровностей будет деформироваться упруго и все меньшая их часть будет иметь
пластический характер деформаций. Если связать это с процессом трения,
то этот переход от микрорезания и пластического характера деформаций
вершин выступов к упругому будет происходить в начальный период
изнашивания поверхностей. При смещении поверхностей под нагрузкой
в результате перераспределения площади фактического контакта будут
происходить дополнительные пластические деформации. Многократное
приложение нормальных или касательных нагрузок приводит к
контактному, усталостному разрушению пластически насыщенных
площадок и образованию новых неровностей.
В основу расчета коэффициента трения нами положена общая
молекулярно-механическая теория трения И.В. Крагельского [43].
Учитывая, что в начальный период трения контактирующие поверхности
имеют макро- и микронеровности, то первоначальный их контакт должен
произойти только в трех точках. Поскольку напряжения в этих точках
из-за малости фактической площади контакта значительно превышают
напряжения сдвига, возникающие на критической глубине под
поверхностью контакта, то наряду с упругими деформациями даже при
очень малых нагрузках эти напряжения, очевидно, значительно
превышают предел текучести материала и будут вызывать начало
93

пластических деформаций на вершинах вступивших в контакт выступов
шероховатости, а в некоторых случаях будет возникать и микрорезание.
Так, величина контактных перемещений, соответствующих
пластическим деформациям площадок контакта, может быть рассчитана по
формуле [54]:
Я2
Уш = 5,4р(1-цУ-£., (3.68)
где
Р - 52tPtmRP . И69)
50pRmaxRa (Л0У)
Принимая для поверхностей трения детали из стали 40Х,
обработанной чистовым шлифованием, Ra = 0,45 мкм; tm ~ 50 %• t20 = 6 %; Rp =
= 1,3 мкм; S = 0,02 мм; u = 0,3; Н^0 = 4-103 МПа; E-1-W МПа, получим
р = 20 мкм и упп = 0,1 мкм.
Проведенные вычисления убедительно подтверждают
вышеизложенную гипотезу о наличии пластических деформаций участков контакта
в начальный период трения. Наряду с пластическим оттеснением
материала в начальный период трения реальных поверхностей в
зависимости от условий возможен процесс микрорезания. Для
подтверждения этого положения проведен расчет для реальных условий трения
по формуле [45]-.
2х„
У,ъ0,5р\ \--S-
(3.70)
Учитывая, что нормальные контактные сближения реальных
поверхностей трения деталей машин, рассчитанные по формулам, при
первом приложении нагрузки, т.е. в начальный период трения,
превышают величины упл и у , то можно сделать вывод о том, что в
начальный период трения будут иметь место: упругое оттеснение,
пластическое оттеснение и процесс микрорезания. Совершенно очевидно,
что на участках фактического контакта, когда разрушаются окисные
пленки, а это будет иметь место при пластических деформациях и
микрорезании, будут возникать силы молекулярного сцепления.
Таким образом, в общем случае в начальный период будет
наблюдаться молекулярно-механическое взаимодействие поверхностей трения
скольжения. Молекулярная составляющая силы трения обусловлена
адгезионным взаимодействием контактирующих поверхностей на
фактических пластических и срезаемых площадках контакта.
Механическая составляющая силы трения обусловлена возникновением упругих,
94
пластических деформаций некоторых встречающихся
микронеровностей и срезом наиболее выступающих выступов шероховатости,
находящихся на вершинах волн и макроотклонений.
Следовательно, в общем случае уравнение для расчета коэффициента
в начальный период для реальных деталей будет иметь следующий вид:
/ = /иол+/в„, (3.71)
причем
J на. ~ J ynp Лм •'рн" W-' ^)
Теоретические и экспериментальные методы определения
составляющих коэффициента трения приведены в работах [45,64].
Согласно этих работ уравнение для расчета коэффициента трения
имеет вид: \
/= т0/рг + р + 0,4«г^7р\ (3.73)
где т0 - удельная сдвиговая^прочность молекулярных связей [30, 54]; р -
коэффициент упрочнения Молекулярных связей под действием
сжимающих напряжений; осг - коэффициент гистерезисных потерь при
скольжении [44, 54]; h - глубина взаимного внедрения микронеровностей
контактирующих деталей.
В изложенной выше теории контактного взаимодействия было
показано, что давление на фактических площадках контакта
определяется физико-механическими свойствами поверхностного слоя более
пластичного материала
Рт = C*,'<v (3.74)
Для условий граничного трения /?г* определяется по формуле:
/V=Pr(tX). (3.75)
где t'„M xn - напряжения сдвига для смазанных и сухих контактирующих
поверхностей.
Удельная сдвиговая прочность молекулярных связей в соответствии
с работами Н.М. Михина [54] и В.В. Измайлова [30] также определяется
физико-механическим состоянием поверхностного слоя контактирующих
деталей:
95

it
J".
kT
ln-^
J *
(3.76)
где U,
при
eo '
10"
Ja - энергия активации (226 Tm - при хрупком разрыве, 166 Т -
пластическом оттеснении); j - активационный объем (Ю-27 м );
= 1012...1013- для всех металлов; £ - скорость деформации (10~4 -
6 с-1); N - число Авогадро (6,02х1023 »™-^-
); Т и 71
моль '); к - постоянная
температуры в зоне контакта и
Больцмана (1,38-10"
плавления.
Глубина взаимного внедрения микронеровностей в период
приработки определяется общими контактными деформациями детали из более
пластического материала, которые можно рассчитать по формулам (3.21)
и (3.22). В период нормального (установившегося) износа величина
внедрения определяется упругими контактными деформациями, которые
рассчитывают по формуле (3.20). Радиусы внедряемых микронеровностей
рассчитывают для более твердого материала по формуле:
Sm2tm3
6-10'Ra '
(3.77)
Таким образом, подставляя выражения (2.74), (3.21), (3.22) и (3.77) в
формулу (3.73), получим уравнения коэффициента трения для условий
приработки:
/:
р.
4oRa2/5
С'*,От Smtm
и нормального износа
60Л 27tpWzHmaxl,/3
1 +
гт^Яо-ц2)
R&E
f
С%от
. + р +
tm
1/3
N
30(1 - ^(InpR&WzHmaxy*
£Smtm
Если для условий сухого трения уравнения (3.78) и (3.79) не вызывают
сомнения, так как они базируются на молекулярно-механической теории
трения И.В. Крагельского, показавшей свою жизнеспособность [9, 43,
44, 45, 54], то для условий граничного трения по влиянию параметров
состояния контактирующих поверхностей на процесс трения имеются
разные мнения [42,43,48].
Учитывая это обстоятельство, автором были проведены эксперименты
по исследованию влияния шероховатости на процесс граничного трения
96
Рис. 3.1S. Схема установки образцов и
измерения нормальных контактных перемещений на
машине трения:
/ - индентор; 2 - образец; 3 - индуктивный
датчик
при различных скоростях трения и
нагрузках. Исследования проводили
на специальной машине трения по
схеме шаровой индентор - плоский
образец (рис. 3.15). Такая схема на-
гружения позволяет исключить
влияние волнистости и макроотклонения
на процесс трения. *
При проведении
экспериментальных исследований на данной машине
трения имелась возможность
бесступенчатого изменения нагрузки и скорости скольжения. Шаровые
инденторы (d- 15,8 иЩ и образцы были изготовлены из стали ФРГ
ЮОСгб (прототип стали.ШХ15), термообработанной до HRC 60-62.
Поверхность шаровых инденторов была доведена до Rz = 0,08 мкм.
Поверхности трения образцов (комплексно по 20 шт.) обрабатывали
шлифованием или полированием с параметрами шероховатости, мкм,
приведенными ниже:
Ra
Rz
Rmax
Rp
2,15
12,1
16,6
5,6
0,78
5,24
6,25
1,84
0,26
1,98
2,32
0,61
0,16
1,2
1,58
0,27
0,045
0,49
0,75
0,12
0,020
0,20
0,29
0,05
Эксперименты на трение проводили с непрерывной подачей
парафинового масла (вязкость г) = 2-Ю-3 Н:с/м2 при 37 °С) в зону трения
при фиксированных скоростях (v = 0,3; 0,8; 1,2; 1,5 м/с) и плавно
изменяющейся нагрузки от 0 до 500 Н, со скоростью изменения dNIdt =
= 84Н/мин.
Как видно из рис. 3.16, графики зависимости коэффициента трения
от нагрузки для всех скоростей и шероховатостей имеют экстремальный
характер, т.е. в начальный период при малых нагрузках коэффициент
трения возрастает с увеличением нагрузки, а затем, достигнув своего
максимального значения, постепенно уменьшается, причем с увеличением
шероховатости поверхности трения экстремум смещается в зону меньших
нагрузок.
97

Рис. 3.16. Зависимость коэффициента трения -
скольжения от нагрузки при v: 0,3 м/мин (У),
0,8 м/мин (II), 1,5 м/мин (III) и Ка: 0,8 мкм (1),
0,16 мкм (2), 0,02 мкм (J)
Математическая обработка
результатов экспериментальных
исследований по программе, описанной в
работе [76], позволила установить,
что нагрузка, соответствующая
максимальному значению коэффициента
трения, на 49 % коррелирована с
шероховатостью поверхности трения
и на 30 % со скоростью скольжения.
Уравнение регрессии, описывающее
эту корреляционную связь, имеет следующий вид:
NKf = 27,5Ra-0Mv01. (3.80)
Каждый из участков изменения коэффициента трения,
рассматриваемый отдельно, довольно тесно (на 70...80 %) связан с шероховатостью,
нагрузкой и скоростью скольжения. Так, начальный участок этих кривых
на 66 % описывается параметром шероховатости Rz, на 10 % - скоростью
скольжения v и на 8 % - нагрузкой N. Замена параметра шероховатости
Rz на Ra приводит к снижению корреляционной связи на 10 %.
Математическое уравнение, описывающее начальные участки этих
кривых, имеет следующий вид:
/= 0,0921Ы>-"\-,>л (0,1 Nfl. (3.81)
Второй участок этих кривых наиболее полно (81 %) описывается с
введением параметра шероховатости Ra:
/ = 0,148 Ra00* Г009 (0,1 JV)-°-°*. (3.82)
Анализ полученных результатов показывает, что шероховатость
поверхности оказывает значительное влияние на коэффициент трения.
Так, изменение шероховатости в 30 раз приводит к изменению
коэффициента трения в 2 раза, в то же время изменение условий трения (к = (r\v)/N)
в 100 раз приводит к изменению коэффициента трения в 1,6 раза.
Наибольшее влияние на процесс трения шероховатость оказывает при
больших скоростях и малых нагрузках.
98
Рис. 3.17. Границы зон трения при Ra: 0,80 мкм (а), 0,16 мкм (б), 0,05 мкм (в) и 0,02 мкм (г):
/-зона жидкостного трения; //-зона граничного трения; ///- зона схватывания
Уменьшение шероховатости во всем диапазоне изменения скорости
скольжения и нагрузки пЬиводит к снижению коэффициента трения.
Большое значение при трении скольжения имеет вид трения:
жидкостное, граничное и* схватывание.
Результаты экспериментального определения зон трения,
соответствующих различным характерам процесса трения, при трении скольжения
шарового индентора по=шероховатой поверхности представлены на
рис. 3.17. Анализ результатов этих исследований показывает, что
шероховатость поверхности трения оказывает значительное влияние на
перераспределение зон трения.
Математическая обработка экспериментальных данных позволила
получить уравнения для определения шероховатости поверхности трения,
соответствующей различным зонам трения.
I. Зона жидкостного трения
Ra<0)39v0'"(0,lAO-°'66. (3.83)
II. Зона граничного трения
0,43v-°'43(0,lAO-03>Rai0139ve'1,(0,lAO"M6. '{ (3.84)
III. Зона схватывания
RaiO,43v-M3(0,lN)-°'3. / (3.85)
Результаты проведенных исследований показали, что для граничного
трения при обильной смазке с уменьшением шероховатости коэффициент
трения также уменьшается и оптимум по шероховатости отсутствует в
диапазоне всех исследуемых скоростей (v = 0,3...1,5 м/с). При переходе
из одной зоны в другую достаточно четко проявляется оптимум по
99

шероховатости, особенно для невысоких скоростей скольжения и
больших нагрузок.
Так, при невысоких скоростях скольжения (v<0,5 м/с) и больших
нагрузках (/V>300 H) оптимальной шероховатостью является Ra =
= 2,0 мкм для скоростей скольжения 0,5 м/с s v s 1,0 м/с и нагрузок
N>100 Н оптимум по шероховатости смещается к Ra = 0,8 мкм и т.п.
Совершенно ясно, что эти значения шероховатости являются
оптимальными только для данных условий трения. Для других условий
трения будут свои оптимальные значения шероховатости, однако с
увеличением скорости скольжения оптимум будет смещаться к ее
меньшим значениям. Анализ результатов исследований убедительно
показывает, что шероховатость в значительной мере оказывает влияние
на образование гидродинамического клина и его толщину в зоне трения
скольжения. Так, эмпирическое уравнение толщины масляной пленки,
образуемой между сферическим индентором и шероховатой
поверхностью, имеет следующий вид:
Г)
г = 5,5Ra0"(0,lJV)-°ss. ' (3.86)
Корреляционный анализ уравнения показывает, что толщина этой
пленки на 35 % определяется шероховатостью поверхности образца.
Таким образом, результаты экспериментов убедительно показывают,
что шероховатость поверхности трения в значительной мере определяет
возможность образования гидродинамического клина, оказывающего
влияние на контактные перемещения при трении скольжения, толщину
клина, вид трения и значение коэффициента трения для всех скоростей
и нагрузок в области граничного трения.
Анализ показывает, что молекулярная составляющая коэффициента
трения зависит от площади фактического контакта трущихся
поверхностей, с увеличением которой она увеличивается, от молекулярного
сродства трущихся материалов, от наличия смазки и возможности ее
попадания на площадки контакта, от приложенной нагрузки и
температуры в зоне трения.
Изучая молекулярную составляющую коэффициента трения в
процессе приработки, можно предположить возможность ее роста с
увеличением площади фактического контакта поверхности трения.
Молекулярное взаимодействие поверхностей трения может привести к
их схватыванию, т.е. образованию мостиков сварки, при больших
давлениях на отдельных участках площадок контакта, разрушающих
окисные пленки и образующих ювенильные поверхности трения.
Это явление особенно характерно для родственных к взаимному
молекулярному взаимодействию материалов, в частности, одинаковых
100
материалов. Совершенно очевидно, что это будет вызывать резкое
возрастание молекулярной составляющей коэффициента трения, а в
отдельных случаях приводить к "заеданию". Как правило, этого избегают
выбором разнородных материалов для контактирующих деталей,
применением полимеров, а также увеличением маслоемкости
поверхностей трения, в частности нанесением системы масляных канавок
вибронакатыванием. ,
В соответствии с теорией И.В. Крагельского [43], изнашивание
поверхностей трения обусловлено усталостным разрушением вступаю»
щих в контакт микронеровностей. При этом число циклов, приводящих
к разрушению микронеровностей, берется как и для усталостных
циклических испытаний образцов из данных испытаний материала на
изгиб.' Очевидно, это может подойти для условий нормального
изнашивания, когда вершины встречающихся микронеровностей
деформируются упруго.'
Как было отмечено" ранее, в начальный период изнашивания
отдельные встречающиеся выступы производят микрорезание, т.е. сразу
происходит их разрушение, отдельные выступы деформируются
пластически с образованием трещин, которые приводят их к
малоцикловому усталостному разрушению, а некоторые выступы деформируются
упруго.
Таким образом, массовый износ в общем случае можно описать
уравнением:
и. " "Р« + ипл + »упр (3-87)
Величину каждой из составляющих можно определить из уравнений
-pup .pes
«ш, = УтЧтш^=^. (3.89)
рир.пл
«упр = Vmqmw^-, (3.90)
"рир.уп
К. = 2/ЗярЧ.. (3.91)
101

Учитывая, что максимальные касательные напряжения при
пластических деформациях, а следовательно, и их разрушение происходят на
глубине 0,5 d (d - диаметр контакта), то объем микронеровности,
отделяемый при пластическом разрушении, определяется из уравнений:
vw, = ^P2(\W2PAJ. (3.92)
2
Ут = т Vw (3.93)
L
п,.«р = y"V (3.94)
*■«• (3.95)
Я.лл - у
, "..ул = y»W (3.96)
Геометрическая длина поверхности трения контактирующей детали,
износ которой рассчитывается, применительно к цилиндрическим
поверхностям вращения находится так: для вала / = л d; для втулки
уравнение получается из дуги контакта, определяемой углом <р:
'"ife"*' (3.97)
ф = arctg -X_i____ i. (398)
В общем случае с учетом описанной физической картины число
циклов до разрушения микронеровностей трения можно описать
уравнением [44]
п = (т,/т)''. (3.99)
При микрорезании т = тсдв и п = 1. Наряду с этим для определения
напряжения сдвига можно использовать формулу К.Г. Абуладзе [2]:
%р = 0.74о,о;и. (З.ЮО)
102
При пластических деформациях [65] т = — HVn
{ 1/6 HVJ
При упругих деформациях
(3.101)
(3.102)
г/
Очевидно, наряду с усталостным изнашиванием сопрягаемых
поверхностей трения будет происходить атомарное из-за молекулярного
взаимодействия, т.е. в общем случае будет иметь место молекулярно-
механическое изнашивание.
При расчете линейного износа картина в значительной мере может
изменяться. В начальный! момент трения при приложении нормальной
нагрузки контактирующие участки поверхностей будут претерпевать
пластические деформации, а отдельные выступы и разрушение. Величина
этих деформаций естественно будет учитываться при определении
линейного износа и рассчитываться по формуле
/иН
7ttmSmtmmSmm
Пр Пр
(3.103)
* 4-10«Rp°'5Rp£
Рассматривая массовый износ по времени, можно предположить, что
в начальный период преобладает микрорезание, затем пластическое
разрушение и постепенно весь процесс изнашивания сводится к упругому
разрушению и атомарному изнашиванию. Для случая линейного износа
в начальный период преобладают разрушение и пластические
деформации, описываемые уравнением (3.103), затем разрушение пластически
деформированных микронеровностей, величина которых определяется
равенством
h =\hm ♦даЗ-^£Ь-- (ЗЛ04>
разрлш
Постепенно величина линейного износа будет определяться
разрушением упруго деформированных микронеровностей, величина
которых с учетом уравнений Герца и их математического преобразования
может быть рассчитана по формуле
h =
N
2.4р,
(1-иУ
^ /И'2прт] "рир.упр
2 п..
(3.105)

и величиной атомного износа, определяемого молекулярным
взаимодействием контакта. Параметры шероховатости в процессе изнашивания
могут претерпевать различные изменения.
Интенсивность изнашивания определяется уравнением [43]
I'h/L. (3.106)
Значения /для различных деталей по данным И.В. Крагельского и
Н.Н. Михина [45] приведены в табл. 3.10.
3.10. Характерные значения безразмерной интенсивности
изнашивания различных деталей машин
Изнашиваемые детали
Гильзы цилиндров:
двигателя ЯМЗ-236
автомобилей
Поршневые кольца:
луженые двигателя
ЯМЗ-236
хромированные двигателя
ЯМЗ-236
двигателя Д-48
автомобилей
Коленчатые валы двигателей
автомобилей:
шатунные шейки
коренные шейки
Поворотные цапфы ходовой
части автомобиля ЗИЛ-130
(шейки)
Детали экскаваторов Э-302,
Э-505, Э-651 и др.:
опорно-поворотные круги
шлицевой вал поворота
Зубчатые колёса реверсивного
механизма:
цилиндрические
конические
звездочка цепной передачи .
реверсивного механизма
кулачки полумуфты
ходового механизма
зуб ковша
/
1,810-|2...2,510-12
(1,1...5,6)10-"
2,510-"
2,510-|2...410-"
(0,6...1,2)10-"
410-"...510-'2
1,610-"... 1,8-Ю-12
1,81 Г9
1,6-Ю-9
8,610-"
5,3-Ю-10
1,510-"
6,3-Ю-12
7,3- Ю-12
6,3-10-'°
Примечание
Поршневые кольца:
луженые
хромированные
чугунные
Гильзы цилиндров:
чугунные
Вал из стали,
подшипники - из подшипникового
сплава
Смазка 1-13
Металлоплакирующая
смазка
Материалы сопряженных
деталей:
сталь 50Г - сталь ШХ15
сталь 40Х - сталь 35ГЛ
сталь 40Х - сталь 45
сталь 40 - сталь 40Х
сталь 45 - сталь 45
сталь 45 - сталь 45
сталь 45 - сталь 45
104
Изнашиваемые детали
Направляющие станков
Инструментальные салазки
поперечно-строгального станка
Режущий инструмент:
из сплава Т15К6, без
применения СОЖ
износ по задней грани из сплава
Т5К10сСОЖ:
на задней грани
на передней грани
то же в вакууме:
на задней грани
на передней грани
из стали Р9К5:
на задней грани .
на передней грани ,
то же в вакууме: *
на задней грани
на передней грани
Калибры из твердого сплавав
Калибры из сплава ЦМ-332Й
стали У10А
Фрикционные элементы
тормозов:
дискового
камерного
колодочного
Опоры скольжения буровых
долот
Соединения, муфты,
малоподвижные подшипники,
подвергаемые воздействию
вибраций
Лопатки роторов грунто-смеси-
теЛьных машин при работе по
грунту:
песок
тяжелый суглинок
Протектор шин
Уплотнение из резины (без
смазочного материала)
/
2-10-9...4-10-'°
2-10""
(2,5...6)10"*
1,110"*
2,210"*
5,8-10"*
4,1 Ю-8
5,510"7
610"7
8,5-10"7
1,1-Ю"6
ю-'°
(1,3...2,9)10"9
810"7...4Ю-10
(2...8)10"7
2,6-Ю"6... НО-7
10"5...10"7
810"*...1О"8
(2,1...3,1)10"*
(4... 10)10"8
гю^.-но"9
510"7...510г'8
Примечание
Детали из чугуна
То же
Обрабатываемый
материал
Сталь 40Х при
v = 150...230 м/мин
Сталь 40Х,
v = 180 м/мин
Сталь ХН35ВТЮ
v = 4 м/мин ,
-
-
-
Износ обусловлен
фреттинг-коррозией
-
Трение по
асфальтобетонному покрытию
Трение по стали
105

Изнашиваемые детали
Тела качения подшипников,
работающих в воде
Бронзовые буксы
амортизаторов
Шарниры шасси самолета со
смазкой ЦИАТИМ-201
Втулки подшипников
скольжения из самосмазывающихся
материалов:
АМАН-4
П68ДМ-1.5
/
(0,7...2)10-'°
(1,3...4,3)10-9
210""
1,3-1 (Г10
5,210-'°
МО"9
2-10~9
Примечание
отах<2000 МПа
атах>2000 МПа
i
Трение по 30ХГСА
Трение по БрАЖМц
Трение по стали
Как видно из таблицы, интенсивность изнашивания может изменяться
от Ю-3 до 10~12. Учитывая это, проф. И.В. Крагельский предложил десять
классов износостойкости деталей машин:
о i и ш iv v vi vii viii ix
lg/min ....... -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4
lg/max -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3
Наличие смазки при граничном и жидкостном трении при расчете
линейного износа приводит к аналогичному влиянию, как и при
массовом износе. При трении более твердого металла по мягкому
металлу изнашивание более мягкого металла будет определяться его
микрорезанием и пластическим оттеснением. По мере приработки и
увеличения площадок контакта микрорезание может исчезнуть, а часть
пластических деформаций может перейти в упругие. При этом может
возникнуть избирательный перенос и частицы более мягкого металла
будут заполнять впадины между микронеровностями твердого тела, а
его дальнейшее молекулярное взаимодействие может вызвать
наволакивание более мягкого металла на твердую поверхность. Но это явление
происходит при определенном объеме впадин более твердого тела, так
как при большом объеме будет наблюдаться процесс микрорезания и
частицы мягкого металла не будут удерживаться в нем. При малом
объеме впадин частицам мягкого металла не хватит места для их
удержания за счет молекулярных сил. Правда, в процессе изнашивания
более твердого тела с большим объемом впадин (большой
шероховатостью) этот объем будет постепенно уменьшаться вследствие сглаживания
микронеровностей и может начаться процесс переноса более мягкого
металла. Поэтому в начальный период при трении с переносом
отмечается более интенсивный износ, а в последующем он
стабилизируется. Эти явления наблюдаются при трении стали по бронзе, латуни, меди
и графитопласту [14].
106
Таким образом, характер кривых изнашивания реальных пар трения
в значительной степени отличается от классической кривой износа
образцов. Это говорит о том, что количественно нельзя оценивать износ
реальных деталей по износу модельных образцов. Такие испытания
могут быть использованы только для качественной сравнительной
оценки.
Сложность процессов трения и изнашивания в соединениях реальных
деталей машин пока не позволяет с достаточной точностью описать их
количественно. Однако для приближенных инженерных расчетов могут
быть использованы зависимости, устанавливающие взаимосвязь
интенсивности износа и параметрами качества поверхности трения
[90].
В период приработки,
t
/
15n(2nWzHmax)
i/з
1 +
гпн^р-ц2)
Е
(3.107)
В период нормального изнашивания
1,2*/?
&
-Г. — ~А~
30(1 -n*)(2nRaWzHmax)l/3
ESm
(3.108)
Здесь п - число циклов воздействия, которое приводит к разрушению
материала; Я - коэффициент, учитывающий влияние поверхностных
остаточных напряжений на износ.
* = [(°.-°00)Ч]''.
(3.109)
где оа - действующее значение амплитудного напряжения в
поверхностном слое; i - параметр фрикционной усталости (табл. 3.11).
Установить адекватное влияние качества поверхностного слоя на
износостойкость конкретных деталей только по приведенным
зависимостям не представляется возможным, так как он в значительной мере
будет зависеть от видов изнашивания. Исходя из этого, был проведен
107

3.11. Значение параметра фрикционной усталости при трении
без смазки на воздухе по образцу из стали
Материал
Сталь
Чугун СЧ 30
Графит:
АГ-1500
АО-1500
АМС
Электрографит
Резина с модулем упругости, Па:
2,2
2,8
3,25
Резина на основе бутадиенстироль-
ного каучука:
протекторная*
уплотнительная при 100 °С
Полиформальдегид
Поликарбонат
Эпоксидная смола
без наполнителя
Фторопласт-4
Ретинакс ФК-240,
Капролон
*По бетонному покрытию.
р, МПа
700
660
20
25
80
275
211
146
850
160
22
147
840
180
63
1184
630
'у
7,9
4,1
2,0
2,6
2,4
6,7
3,0
3,4
3,6
3,4
4,8
1,3
2,9
4,6
5,0
12,6
2,6
анализ теоретических, экспериментальных и практических данных по
изнашиванию образцов и деталей машин, работающих в различных
условиях [14,42,43,44,45,54,64,77,90,95,96J.
Это позволило уточнить взаимосвязь износостойкости деталей с
качеством их поверхностного слоя для различных видов износа
(табл. 3.12).
108
3.12. Влияние качества поверхностного слоя деталей иа износостойкость
при различных видах износа
Вид износа
Усталостный
Абразивный
Смятие
Кавитацион-
ныи
Эрозионный
Адгезионный

Избирательный перенос
Водородный

Окислительный
Фреттинг-кор-
розия
Химический и

электрохимический
(коррозионный)
Усталостный

термомеханический
Трещинообра-
зование
Геометрические и
микрогеометрические


ховатость
ф
+
*
*
0
ф
*
0
+
*
+
0 ,
*


нистость
*
+
*
*,
°1
**
*
0
+
*
0
0
0


решность

формы
ф
+
ф
ф
0
ф
ф
0
+
ф
0
0
0
Физико-химическое состояние
поверхностного слоя


твердость
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
+
"ф
ф
0
+


точные


ряжения
ф
О
ф
0
0
0
0
*
0
0
0
+ -..
ф

Структура
и
фазовый
состав
+
ф
i ф
ф
ф
ф
- ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
Хи-
ми-
чес-
кий

состав
ф
+
*
ф
+
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф

Поверхностное


действие
с
жидкостью
0
0
0
ф
0
+
ф
0
ф
ф
ф
0
0

Пористость

поверх-

костного
слоя
0
+
0
+
0
+
0
0
+
0
0
0
0
Обозначения: "*" - оказывает основное влияние;"+" - оказывает влияние в
определенных условиях; 0 - не влияет.

3.3. ГЕРМЕТИЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ1
Герметичность соединений определяет их способность удерживать
утечку газа или жидкости. Из закона Дарси для фильтрационного потока
величина утечки может быть определена по формуле [6]:
^
пРАрНк"
(ЗЛЮ)
где ц' - динамический коэффициент вязкости уплотняемой среды; I и D -
размеры соединения; Ар - перепад давления; Я- толщина пористого слоя
под нагрузкой; к" - коэффициент проницаемости.
В общем виде при возможном перемещении контактирующих деталей
толщина пористого слоя под нагрузкой с учетом шероховатости,
волнистости и макроотклонения сопрягаемых поверхностей определяется
из уравнения [92]:
н ° Н\-У* = (Hmax, + Hmaxj) + (Wz, + Wzj) +
где Я] - высота пористого слоя в контакте без нагрузки.
Коэффициент проницаемости к" определяется из равенства:
(З.П1)
к" = t/ffiJ/5?',
(3.II2)
где U - константа Кармана (0,20...0,22); m - пористость, равная
отношению приведенного объема к общему пористому объему в
соединении; £ - удельная смачиваемость сопрягаемых поверхностей.
Из схемы, приведенной на рис. 2.1 .следует
т
{h-yJA h-ya
(H,-yJA
Н
где А - первоначальный приведенный зазор в стыке [92]:
А = (Нр, + НРз) + (Wp, ♦ WPj) + (Rp, + Rp,).
(З.ПЗ)
(3.114)
'В данном разделе изложены результаты исследований, Проведенных автором совместно
с И.Н. Ильиным и В.А. Николаевым.
ПО
Удельная смачиваемость контактирующих поверхностей определяется
отношением
H-SaIVu, (3.115)
где 5П - внутренняя поверхнЬсть пор, т.е. фактическая площадь
соприкосновения контактирующих поверхностей с жидкостью; Уы -
объем металла в пористом слое:
Sn-Frl*FT2-2AT, (3.116)
здесь Fri и Fr2 - поверхности соприкосновения с окружающей средой
соответственно первой и второй деталей в пределах геометрической
площади контакта без нагрузки, определяемые по формулам (3.117) или
(3.118): |
F. = d—_{4U20Smtm)2'+ Rz2 + v/[20Sm(100 - tm)]2 + Rz2] -
9-10*Sm„Sm (3n?)
lOOOSmK^lO'Smt + Wz2- lOOOSm J.
Учитывая, что величина шаговых параметров шероховатости и
волнистости поверхностей обычно применяемых деталей машин на
порядок выше, чем их высотные характеристики, уравнение (3.117)
принимает вид
Л = 5.44Л. (3.118)
Подставляя выражения (3.118) в формулу (3.116) и учитывая, что
фактическая площадь контакта составляет сотые доли геометрической
площади, получим
5П = 10.88Л. (3.119)
Объем металла в пористом слое
Vu = AH(l-m). (3.120)
Принимая коэффициент заполнения объема равным 0,5, получим
Vu = O.S^KHmax^Hmax^ + ^ + Wz^ + e^ + RajJ-yJ. (3.121)
111

Подставляя выражения (3.119) и (3.120) в формулу (3.115), а затем
полученное значение и уравнение (3.112) в формулу (3.100), получим
б^ = 0,0066 х
%DLp M0,5[(Hmax, + Hmaxj) +(Wz, + WZj)] + 6(Ra, + Ra^ - yj (3-122)
X ; = .
. M'/
Для неподвижного соединения в уравнение (3.115) вместо уск надо
подставить yw
По мере совершенствования техники интенсифицируются процессы,
протекающие в рабочих объемах машин, повышаются давления и
температуры рабочих сред, все большее применение находят агрессивные
вещества, в результате усложняются условия работы агрегатов, узлов
и отдельных элементов, возрастают статические и динамические
нагрузки, действуют тепловые и гидравлические удары, вибрации. Все
это выдвигает новые задачи в обеспечении требуемой герметичности
соединений, используемых в конструкциях машин.
Наибольший интерес для обеспечения герметичности неподвижных
металлических соединений вызывают С-образные металлические
упругие уплотнения [13], представляющие собой внутреннюю часть
разрезанного тонкостенного полого шара, помещенного в канавке открытого или
полуоткрытого типа (рис. 3.18). Расчеты утечек или усилий герметизации
для таких соединений, проведенные по формулам работ [6,13], дают
значительную погрешность. Это объясняется тем, что в данных работах
не учитывается геометрия сопрягаемых поверхностей во всех ее аспектах
и их контактные перемещения, которые, как видно из анализа формулы
(3.122), в значительной мере определяют герметичность соединений.
В соответствии с разработанной теорией контактных перемещений
величину этих перемещений для приведенных на рис. 3.18 четырех
вариантов исполнения С-образных уплотнений можно рассчитать по
следующим формулам:
• вариант б
у 1.1
0,25
(Ra.Wz,)'
,0.5
DS
(RajWz/5
I
,0.25
1-rf •
1 +2я fc.o_.Sm,
£,Ra, ' Tl '
(W
,0,25
i-n? .
Л2КЯ2
вариант в
(3.123)
112
Рис. 3.18. Разъемное соединеннее С-образным уплотнением:
а - общий вид; б - д - варианту исполнения уплотнительной поверхности
у = 0,86
Dmfp)
0,222
(R^Wz,)0*
1-tf
\
1 + 2 я к, о.. Sm,
(RajWZj)'
.0,444
(W
,0,222
l-u? ■
£2Ra2
(3.124)
• вариант г
у " 1,1
>,2
Ac(ctga + ctgy)
04 Wz/4
(Ra,Wz,)e'
С*.",,)0'
\
1 + 2n-Sfe,4lSm'
CW
РЛ
1-Й • с
1+2я—-^fc.o^mj
£2Ra2
(3.125)
• вариант д
113

/
1 + 2я
1-М?
£,Ra,
*l4lSml
(Ra^WzJ0-4! 1-iu ,
(W
,0.2
£2Ra2
(3.126)
где сп, кп и отп - коэффициенты стеснения, упрочнения и предел
текучести материала покрытия соответственно.
Имея эти уравнения, можно получить формулы для определения
усилия герметизации, обеспечивающего заданную утечку.
Так, для С-образного уплотнения с острыми кромками без покрытия
(рис. 3.18, г):
(3.127)
Р =
[^(tgoc + tgy)]0-2
8,87
N
W^ + Wzj+SCRa^Raj)
Г
(Ra.Wz,)»*
0,2
V
, „ 1 -1*? , - e (RajWzj)04
£,Ra,
"т2
1-й ■
1+2п —fc,artSm,
Аналогичный вид имеют формулы для расчета герметизации
С-образных уплотнений остальных вариантов.
Расчеты по полученным формулам были выполнены для С-образного
уплотнения из стали 12Х18Н1 ОТ (D = 40 мм; Ар = 10 МПа; Qj, = 1 ■ 10"2 м3
мкмПа/с;а= 10°;у = 55°).
Для проверки рассчитанных данных было проведено обжатие
уплотнительных элементов на установке для определения усилия
герметизации. Сравнение расчетных и экспериментальных данных
свидетельствует об удовлетворительной сходимости результатов по
сравнению с расчетами по другим формулам. Это позволяет использовать
полученные теоретические уравнения для оценки величины усилия
герметизации в соединениях и сравнения различных конструктивных
решений на этапе проектирования.
Анализ результатов исследований показывает, что герметичность
соединений наряду с геометрией уплотнения, физико-механическими
свойствами его материала и факторами внешнего воздействия также
114
зависит от состояния контактирующих поверхностей: параметров
шероховатости Rp, Sm; волнистости Wp; макроотклонения Нр и степени
упрочнения fc, (Н^о).
3.4. ПРОЧНОСТЬ ПОСАДОК С НАТЯГОМ
Под прочностью посадок с натягом понимают их способность
передавать крутящий момент и осевые нагрузки без взаимного
проскальзывания деталей.
Существующие методы расчета прочности соединений с
гарантированным натягом не учитывают всех параметров качества сопрягаемых
поверхностей [69]:
U
(3.128)
Р =
i-lO'^/E. + Cj/Sj)
(3.129)
где М - передаваемый крутящий момент; Р - передаваемая осевая
нагрузка; d и I - диаметр и длина сопряжения;/^ и/ос - коэффициенты
трения при кручении и осевом сдвиге соответственно; А - натяг в
соединении (в формуле индекс "1" относится к валу, индекс "2" - к
втулке).
Рассмотрение контактного взаимодействия деталей машин
показывает, что прочность соединений с гарантированным натягом
определяется величиной приведенного натяга:
д^ = Д - КНр, ♦ НРг) + (Wp, ♦ WP2) ♦ (Rp, +ЯРг)-
(3.130)
Принимая Нтах = 2 Нр, Wz = 2 Wp, Rp = 2,5 Ra, получим уравнения
для определения прочности посадок с натягом с учетом качества
сопрягаемых поверхностей:
М
*<*//„ (Д - 0,5[Hmax, + Hmaxj + Wz, + Wzj + 5(Ra, + Ra^])
11,1 '■•■ ' 1 '—.
Р**ёг
Ex
+ Hi
1-Й
(3.131)
■2-10*
115

■ndlfjli - Рентах, + Hmax2 + Wz, + W^ + 5(Ra, + Ra^]}
D**d2
■Vi
2103
(3,132)
Значения коэффициентов трения/ и/ос в посадках с натягом зависят
от материалов вала и втулки, методов обработки сопрягаемых
поверхностей и сборки соединений. Их значения приведены в табл. 3.13.
3.13. Коэффициенты трения в соединении

Диаметр

соединений, мм
Материал, метод обработки
втулки
вала
18
Сборка с нагревом
30
48
80
Сталь 35, 40 (220 НВ),
развертывание
Сталь 38ХС,
улучшение (340 НВ),
шлифование
Сталь 35, сталь 40 (190 НВ),
шлифование
Сталь 45, расточка
100
140
150
Сталь 40 (190 НВ),
шлифование
Сталь 30 (175 НВ),
шлифование
Сталь 18Х2Н4МА,
цементация и закалка (58...59 HRC),
шлифование
Сталь 18Х2Н4МА (220 НВ)
шлифование
Сталь 45, накатка с
последующим шлифованием
Чугун СЧ 28 (210 НВ),
шлифование
Сталь 30 (175 НВ),
шлифование
Сталь 40, чистовое
растачивание
Сталь 30 (175 НВ),
шлифование
Сталь 30 (175 НВ),
шлифование
Сталь 40, шлифование
40
Сборка с охлаждением
Сталь 35, 40 (220 НВ),
развертывание
Сталь 40 (190 НВ),
шлифование
Сталь 35, сталь 40 (140 НВ),
шлифование
Бронза БрАЖ9-4 (140 НВ),
шлифование
Коэффициенты
трения
/ос = 0,37
/ос = 0-30
/ос = 0,45
При t = 50 "С
/ос = 0,31
При l .= 20 °С
/ос = 0,34
/ос = 0,28
/ос = 0,23
/ос = 0,35
/ос = 0,25
/ос = 0,26
/ос = 0,28
116

Диаметр

соединений, мм
50
60
80
90
100
140
Материал, метод обработки
втулки
Сталь 50,
нормализация, развертывание
Сталь 50,
нормализация, шлифование
Сталь 40
(Ra = 5 мкм)
Сталь 40
(Ra= 1,25 мкм)
Сталь 40 (190 НВ),
шлифование *
Сталь 40, чистовое
растачивание *
Сталь 30,
шлифование
вала
Сталь 50, чистовое точение
Бронза БрАЖ9-4 (140 НВ),
шлифование
Сталь 40 (Ra = 5 мкм)
Сталь 40 (Ra = 2,5 мкм)
Чугун СЧ28 (210 НВ),
шлифование
Сталь 40, чистовое точение
Сталь 30, шлифование
Коэффициенты
трения
/ос = 0,35
/ос = 0,24
/ос = 0,41
/ос = 0,31
/ос =0,21
/ос = 0,42
/ос = 0,29
/ос = 0,37
Таким образом, прочность посадок с натягом зависит от
геометрических параметров сопрягаемых поверхностей Нр (Hmax), Wp (Wz), Rp (Ra)
и степени упрочнения (мн, Н„о), которая оказывает влияние на
коэффициент трения и физико-механических свойств материалов вала и втулки Е,
М-
3.5. СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ
Под сопротивлением усталости деталей машин понимают их
способность сопротивляться разрушению при действии знакопеременных
нагрузок. Многочисленными исследованиями установлено, что очаги
разрушения деталей машин от усталости металла зарождаются на их
поверхности [39, 52]. Исходя из этого, усталостная прочность деталей
машин в значительной степени должна определяться состоянием их
поверхностных слоев.
Теоретические и экспериментальные исследования М.А. Елизаветина,
Э.А. Сателя, И.В. Кудрявцева, А.А. Маталина, А.В. Подзея, А.М.
Сулимы, Д.Д. Папшева, B.C. Мухина, М.И. Евстигнеева убедительно
свидетельствуют о том, что предел выносливости деталей машин в
117

Основном зависит от наклепа и остаточных напряжений поверхностного
слоя.
Влияние же неровностей поверхности деталей на их предел
выносливости впервые предложил учитывать Г. Нейбер с помощью
теоретического коэффициента концентрации напряжений ап, который определяется
из формул:
при кручении и сдвиге
"\
y-; (злзз)
при растягивании и изгибе
а. = 1+2
Y-. (3.134)
где у - коэффициент, по данным работы [52] после механических методов
обработки у = 1; t ~ высота неровностей поверхности; р - радиус впадин.
И.А. Одинг предложил оценивать изменение сопротивления усталости
в зависимости от шероховатости поверхности с помощью эмпирического
коэффициента Т [52]:
т" 1+«„-р (3.135)
где о_, - предел выносливости при изгибе; а - коэффициент, зависящий
от метода обработки детали [52]: при полировании а = 0; при
шлифовании 0,004; при чистовом точении 0,006; при черновом точении 0,010.
Результаты этих теоретических и экспериментальных исследований
показывают, что неровности, образующиеся на поверхности деталей при
их обработке, являются концентраторами напряжений и служат одной
из причин снижения предела выносливости.
Таким образом, учитывая данные работ [39, 52], а также подставляя
выражение в формулу (3.134), получим уравнение для расчета
коэффициента концентрации напряжений:
К°= 1 + "tol^[2YRmax(Rmax"Rp)]e'5- <ЗЛ36)
Экспериментальные исследования сопротивления усталости проводил
С.С. Филин на образцах, изготовленных из стали ЗОХГСА на машине
МУИ-6000 с частотой приложения нагрузки 3000 цикл/мин. База
испытания 2-Ю6 циклов. Образцы термообрабатывали до HRC 35...37,
металл имел трооститно-сорбитную структуру.
Химический состав металла образцов, %: С - 0,28...0,35; Мп - 0,8... 1,1;
Сг - 0,9... 1,2. Механические свойства: о_ = 1200... 1300 МПа, от = 850 МПа;
6=10%;ф = 45%;ан = 50Н-м/см2.
118
Рис. 3.19. Сопротивление усталости образцов из
стали ЗОХГСА:
7-Ra = 0,74 мкм; 2-Ra = 0,22 мкм; 3-риски
R max = 3,4мкм; 4-риски R max = 1,4 мкм
Цилиндрическую поверхность
образцов обрабатывали круглым
шлифованием (Ra = 0,74) и
полированием алмазными" эластичными
лентами АСО 50/40-Р9-100% и АСО
80/63—Р9—100 % до Ra = 0,^2...0,33, причем 10 образцов полировали по
3 мин и их цилиндрические^оверхности после окончательной обработки
имели систему канавок от предшествующего шлифования. Увеличение
времени полирования до 5 мин позволило получить поверхность без
следов от предварительной обработки.
Анализ результатов экспериментальных исследований
сопротивления усталости образцов (рис. 3.19) показывает, что предел выносливости
образцов при уменьшении их шероховатости с Ra = 0,74 мкм до Ra =
= 0,22 мкм в среднем увеличивается на 14 %, а срок службы более чем в
3 раза.
Наличие небольших рисок (Rmax = 1,4 мкм) на полированной
поверхности образцов от исходной обработки приводит к уменьшению
их предела выносливости на 3...5 %. Увеличение глубины этих рисок с
Rmax = 1,4 мкм до Rmax = 3,4 мкм уменьшает предел выносливости
образцов на 4 %.
Таким образом, результаты проведенных исследований, а также
данные других авторов [39, 52, 89] показывают, что сопротивление
усталости деталей машин зависит от величины и знакаповерхностных
остаточных напряжений или степени наклепа, глубины их залегания и
закона распределения, максимальной высоты неровностей
шероховатости и глубины их сглаживания, среднего шага неровностей профиля
шероховатости и относительной длины опорной линии на уровне
средней.
119

3.6. КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ^
Одно из важнейших эксплуатационных свойств деталей машин -
коррозионная стойкость, под которой понимают способность
поверхностных слоев сопротивляться разрушающему действию внешней среды [78].
Имеющиеся работы [78, 89] не дают исчерпывающих данных о степени
влияния параметров состояния поверхностного слоя деталей на их
коррозионную стойкость в атмосферной среде. Корродирование
металлов в значительной мере определяется их удельной активностью,
которая является свойством физико-химического состояния
поверхностного слоя и окружающей среды.
Таким образом, величина приращения энергии AGM в результате
механической обработки будет определяться выражением:
Д<?м = ДЕ/с + Д1/п. (з.137)
При этом полная внутренняя энергия любого материала до и после
механической обработки будет определяться выражениями:
G +</„
G + G
(3.138)
(3.139)
где G0 и G - полная внутренняя энергия материала соответственно до
механической обработки и после нее; Gr-энергия Гиббса материала; G0m
и GM - внутренняя энергия материала, возникающая вследствие
дефектности строения материала (дислокация, неоднородности,
разности фазового состава и т.д.) соответственно до и после
механообработки.
В свою очередь, GM и G0m связаны выражением:
Д<?„
(3.140)
где
<?ом= Ц>.+ Ц,„-
(3,141)
Подставляя в выражение (3.140) выражения (3.137) и (3.141) получим:
£/0р + Д£/с + Д£/0п + Д£/п= Uc+Un.
(3.142)
'В данном разделе изложены результаты исследований О.Н. Федонина, проведенных
под руководством автора.
120
В выражениях (3.141)и(3.142): U0cn Uc- скрытая энергия
деформирования до механической обработки и после нее; U0n и Un - поверхностная
энергия до механической обработки и после нее.
Поверхностная энергия определяется энергией атомов,
расположенных на поверхности, имеющих связи только с соседними и
нижележащими атомами и находящихся поэтому в неуравновешенном, неустойчивом
состоянии. Благодаря этому тонкий граничный слой, включающий в себя
примерно два ряда атомов (т.е. толщиной порядка 10 ...10" мм),
обладает запасом свободной поверхностной энергии.
Приращение поверхностной энергии будет определяться
выражением [97]:
Д£/п = уД^ф> (3.143)
где у - истинная поверхностная энергия (величина для определенного
материала - постоянная); Д/^ - изменение фактической площади
поверхности соприкосновения детали с окружающей средой (далее
просто изменение фактической площади поверхности).
Оценить изменение фактической площади поверхности в процессе
механической обработки можно с помощью коэффициента
пропорциональности К, т.е.:
K'FJF^, (3.144)
где F± - фактическая площадь поверхности соприкосновения детали с
окружающей средой; FK - номинальная площадь поверхности детали с
учетом макроотклонений.
Анализ профилограмм поверхностей деталей после различной
механической обработки, снятых в продольном и поперечном
направлениях к неровностям поверхности, показывает, что коэффициент
пропорциональности К может быть определен по уравнению:
*=1/«*Рп„„. (3.145)
где рпоп - угол профиля шероховатости в поперечном направлении.
Согласно данным [20], значения углов рпоп независимо от вида
механической обработки и шероховатости поверхности не превышают
35°, а следовательно, значение коэффициента пропорциональности
К<. 1,22, а для большинства операций механической обработки К s 1,06.
Влиянием волнистости на фактическую площадь поверхности можно
пренебречь, так как углы профиля волнистости значительно меньше
углов профиля шероховатости [20].
121

Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что в процессе
механической обработки практически не происходит изменения площади
соприкосновения обработанной поверхности с окружающей средой, т.е.
Д^ф = 0 и, следовательно, величина поверхностной энергии материала
в процессе механической обработки не изменяется:
д^„ = 0. (3.146)
Использование зависимостей [85, 86] величины скрытой энергии
деформирования от плотности дислокаций, а также эмпирических
данных по связи плотности дислокаций со степенью наклепа материала
поверхностного слоя детали позволяет получить уравнение изменения
скрытой энергии деформирования в процессе механической обработки:
U 4 3 2
77" = 1.Ч+4Мн-4,Ч. (3.147)
Тогда отношение внутренних энергий материала поверхностного слоя
детали после механической обработки и до нее имеет вид:
<?•- = "..+ Ц>л = ийс ♦ ийп + и0с + и9а • (3-] 48)
Учитывая, что Un = U0n и U0n«UQc [85, 86], выражение (3.148)
принимает вид:
7Г-= 7Г = 1'1"» + 4"»_4,1"»- (3.149)
"Ом ^Ос
Скорость растворения (коррозии) металлического электрода (анода) в
электролите прямо пропорциональна току гальванического элемента,
протекающему в цепи "анод - катод":
K.I.
К Г.Э'
(3.150)
где vK - скорость растворения (коррозии) детали; Кк - коэффициент
пропорциональности; /гэ - ток гальванического элемента.
Выразив ток в цепи гальванического элемента через ЭДС
гальванического элемента, а ЭДС, в свою очередь, через изизменение внутренней
энергии детали, получим:
V* = N*M + ,)„F' (3-1S1)
122
где vK - скорость коррозии детали; А^ - коэффициент
пропорциональности; /?эл - электрическое сопротивление электролита; г - электрическое
сопротивление металлов электродов; п - заряд иона; F- число Фараде;
AG- изменение внутренней энергии корродирующего образца.
Сравнивая скорости коррозии обработанного и необработанного
материалов при одинаковых условиях:
v,/vK, = ДС?/ДС0, (3.152)
где vK и vk0 - скорости коррозии материала детали после механической
обработки и до нее (детали сравнения) соответственно; AG и &G0 -
изменение внутренней энергии материала детали после механической и
до нее (детали сравнения) соответственно и учитывая, что
&G\*G-Gr = GM; (3.153)
AG0 = G9- Gr = G0M, (3.154)
получаем: ~
\'\o - GJ°ou = LI "и + 4ив3 - 4,1 uj. (3.155)
Кроме внутренней энергии, на коррозионную стойкость деталей будет
оказывать влияние и микрогеометрия поверхности. Это влияние
объясняется тем, что во впадинах шероховатости поверхности возможно
увеличение концентрации реакционно способных частиц коррозионной
среды (чем меньше радиус впадины, тем больше концентрация частиц
за счет наложения электрических полей дна и боковых сторон впадин
профиля шероховатости, что прямо пропорционально приводит к
увеличению скорости коррозии детали).
Таким образом, сравнивая скорости коррозии двух деталей, имеющих
разные внутренние энергии и разные микрорельефы поверхностей, можно
допустить, что:
— = -—■ — , (3.156)
\г Д<?2 r9l v
где rwX и rwl - радиусы впадин деталей.
Учитывая выражение (3.156), уравнение коррозии (3.155) принимает
вид:
123

а = (i.i u; ♦ 4«H3 - 4,i Ин2)--°
v„
(3.157)
VxO rw
где rw - радиус впадин рассматриваемой детали; rlv0 - радиус впадин
детали сравнения.
В качестве детали сравнения принимается деталь, изготовленная из
того же материала, что и исследуемая деталь и подвергнутая
химическому травлению, так как после данной обработки материал поверхностного
слоя имеет минимальную внутреннюю энергию, а радиусы впадин
оптимальны с точки зрения коррозионной стойкости. Радиусы впадин
профиля шероховатости поверхности детали после химического
травления могут достигать значения rw0 = 0,35 мм [17], а средний радиус
впадин профиля шероховатости исследуемой детали может быть
определен по уравнению [91]:
где tm - относительная опорная длина профиля шероховатости по
средней линии; Sm - средний шаг неровностей; Rv - глубина
сглаживания.
Тогда теоретическое уравнение изменения коррозионной стойкости
деталей при механической обработке имеет вид:
\ = v«o0.44 + 4«н3 " ^^(M-lCRv/tirfSm2). (3.159)
Для проверки точности зависимости (3.159) были проведены
экспериментальные исследования, которые позволили ее уточнить:
v. = v.
,(1,1ин4 + 4«н3 - 4,lMH2)(28-106Rv/tm2Sm2)M. (3.160)
Проверка точности зависимостей (3.159) и (3.160) производилась с
помощью ранговых диаграмм (рис. 3.20), которые показывают, что
средняя погрешность уравнения (3.160) составляет 25 %.
Анализ уравнения (3.160) показывает, что степень влияния на
коррозионную стойкость деталей поверхностного упрочнения на порядок
выше микрогеометрии поверхности.
Для экспериментальной проверки данного вывода были изготовлены
специальные образцы в виде колец из стали 45 (HRC 30...35), наружную
поверхность которых обрабатывали различными металлами (точением,
шлифованием, накатыванием и магнитно-абразивной обработкой с
различной шероховатостью (Ra = 0,06... 12,5) и степенью наклепа (и =
= 1,08... 1,63).
124
Рис. 3.20. Проверка точности теоретической зависимости изменения коррозионной стойкости
детали после механической обработки (Ш - экспериментальные детали; D - теоретически
по формуле (3.159); И - теоретически по формуле (3.160):
/-точение (Ra =14,1 мкм; Sm = 0,5 мм, ин = 1,27);
2 - точение (Ra = 3,9 мкм; Sm = 0,33 мм, uH = 1,24);
3 - точение (Ra = 2,2 мкм; Sm = 0,15 мм, ин = 1,17);
4 - точение (Ra = 1,2 мкм; Sm = 0,08 мм,ин= 1,12);
5 - шлифование (Ra = 2,0 мкм; Sm = 0,05 мм, мн= 1,15);
6 - шлифование (Ra = 0,8 мкм; Sm = 0,05 мм,ин= 1,18);
7- полирование после точения (обр. 4) (Ra = 0,4 мкм; Sm = 0,08 мм, ин = 1,12);
8 - полирование после шлифования (обр. 6) (Ra = 0,33 мкм; Sm = 0,05 мм, мн = 1,18);
9 - полирование (Ra = 0,2 мкм; Sm = 0,05 мм, uH = 1,02)
Качественную оценку коррозии образцов производили наиболее
распространенным методом - с помощью измерения потери в массе
прокорродированного металла [78].
Учитывая, что для оценки коррозионной стойкости металлов в нашей
стране принята десятибалльная шкала, дополнительно был определен
показатель проницаемости [78]:
П = 8,76(*7у),
(3.161)
где П- проницаемость, мм/год; к - скорость потери массы, г/(м2ч); у -
плотность металла, г/м3.
125

Средние значения параметров состояния поверхностного слоя
исследуемых образцов и соответствующие им показатели коррозионной
стойкости приведены в табл. 3.14.
3.14. Качество поверхности и коррозионная стойкость образцов
Метод
обработки
Точение

Шлифование

Накатывание после
точения

Накатывание после
шлифования
Магнитно-
абразивная
обработка
Параметры шероховатости
по ГОСТ 2789-73
Ra,
мкм
12,5
1,36
2,0
0,24
1,05
1,12
6,2
3,54
2,1
1,25
0,17
0,25
0,17
0,058
Rp,
мкм
46,0
2,6
4,5
0,6
3,96
1,6
11,2
5,1
3,03
4,1
0,28
0,5
0,51
0,164
Rmax,
мкм
81,0
6,6
9,4
1,18
8,6
6,2
25,3
17,1
10,4
7,6
0,82
1,4
1,2
0,27
tm,
%
40
47
52
54
53
63
55
65
59
52
65
57
56
57
Sm,
мм
0,150
0,055
0,08
0,033
0,061
0,064
0,151
0,140
0,133
0,144
0,036
0,042
0,030
0,028

Степень

наклепа ии
1,12
1,08
1,15
1,18
1,40
1,50
1,45
1,58
1,35
1,63
1,30
1,52
1,10
1,12

Потеряв
массе
*, г/м2
6,25
3,0
2,685
2,312
7,375
38,12
9,0
6,25
2,437
7,625
7,437
3,562
2,437
0,562
Требования по
ГОСТ 5212-74


цаемость,
мм/год
0,00975
0,00468
0,00419
0,00361
0,0115
0,05947
0,01403
0,0975
0,00380
0,01189
0,01160
0,00556
0,00380
0,00088
группа

стойкости
Весьма
стойкие
Тоже
Весьма
стойкие
Стойкие
Тоже
Весьма
стойкие
Весьма
стойкие
Стойкие
Весьма
стойкие
Весьма
стойкие

Совершенно
стойкие
балл
3
2
2
2
4
5
5
3
2
4
4
3
2
1
Математическая обработка результатов экперимента с
использованием множественного корреляционно-регрессионного анализа
показала, что только 37 % изменения коррозии объясняется варьированием
характеристик качества поверхности, введенных в анализ (Ra, Rp, Rmax,
Sm, tm, мн). Степень влияния каждой из этих характеристик на
исследуемый параметр коррозионной стойкости П находили с помощью
коэффициентов отдельного определения. Результаты вычислений этих
коэффициентов показывают, что наибольший процент варьирования
126
показателя проницаемости (25 %) объясняется степенью наклепа и только
около 12%- всеми параметрами шероховатости, введенными в анализ
(рис. 320). При этом с увеличением нн, Ra, Rp и Rmax коррозионная
стойкость уменьшается, а с увеличением tm и Sm - увеличивается.
Учитывая большую корреляционную связь высотных параметров Ra,
Rp и Rmax между собой (г = 0,95), в дальнейшем регрессионный анализ
для математического описания поверхности отклика был введен только
параметр Rmax, оказывающий наибольшее влияние на изменение
коэффициента проницаемости.
Полученное уравнение регрессии имеет следующий вид:
П = 0,068 '+ 0,046ин + 0,003Rmax - 0,143Sm + 0,044tm. (3.162)
Статическая проверка показала адекватность полученной
зависимости (критерий Фишера F =|0,94 < ^табл).
Таким образом, результаты проведенных исследований показывают,
что коррозионная стойкость деталей машин в малой степени зависит от
параметров шероховатости, волнистости и макроотклонений, а в
основном определяется физико-химическим состоянием их
поверхностного слоя. -

Глава 4
ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Долговечность и себестоимость изготовления деталей машин в
значительной мере определяется правильностью и обоснованностью
выбора и назначения параметров качества их поверхностных слоев. В
целом по машиностроению требования, в частности к шероховатости
поверхностей деталей, завышено в 2 раза, что приводит к удорожанию
их изготовления на 25 % без увеличения долговечности машин, а в
отдельных случаях при ее снижении. Поэтому выбор и назначение
параметров качества поверхностного слоя деталей машин является одной
из основных проектных оптимизационных задач конструктора,
определяющая надежность и долговечность изделий.
4.1. ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В процессе эксплуатации рабочие поверхности деталей машин, так
же как и при изготовлении, испытывают воздействие окружающей среды,
силовых и температурных факторов. Если это воздействие значительно
отличается от их воздействия при финишной обработке, то совершенно
очевидно, что будет происходить изменение качества поверхностного
слоя деталей, т.е. поверхность будет адаптироваться к условиям
эксплуатации, что может привести к значительному уменьшению
долговечности. Так, технологические остаточные напряжения растяжения
при растяжении деталей будут налагаться на действующие
эксплуатационные напряжения и уменьшать допустимую их величину. Сжимающие
же остаточные напряжения наоборот будут увеличивать допустимые
эксплуатационные напряжения растяжения.
Значительные изменения качества поверхностного слоя деталей
происходит при их контактном взаимодействии. Так, при нормальном
нагружении контактирующих поверхностей, выступы шероховатости,
первыми вступившие в контакт, пластически сдеформируют на величину,
которая может быть рассчитана по формуле [92]:
128
Рис. 4.1. Схема
переформирования шероховатости при ее
пластическом
деформировании:
/ ■*- исходная шероховатость;
2 - шероховатость после
пластического
деформирования; 3 - сечение
перераспределенного металла
i
1 100N ,а ,ч
Угш.ъ.т " НРИ« -Т— Г—~ • (4.1)
Vivnw3lWT;
где Rp„cx - высота сглаживания исходной шероховатости, вступившей
в контакт; N - нагрузка наГконтактирующие поверхности; Ас- контурная
площадь контактирующих деталей; tmHCX - относительная длина опорной
поверхности на уровне средней линии для исходной шероховатости; мисх
исходная степень наклепа контактирующей поверхности; от - предел
текучести контактирующей детали; vHCX - параметр кривой опорной
поверхности исходной шероховатости.
Объем металла при пластическом деформировании неизменный,
поэтому перед исследователями вставал вопрос, куда исчезает металл
при пластических контактных деформациях микронеровностей.
Специально проведенные исследования по этому вопросу позволили
выдвинуть гипотезу, что пластически сдеформированный металл вершин
микронеровностей по мере увеличения фактического давления течет к
их основанию и впадинам. Встречаясь с аналогичными волнами
пластически сдеформированного метала соседних микронеровностей,
они приподнимают их впадины (рис. 4.1). Тщательно проведенные
эксперименты по изменению профиля шероховатости до и после
пластических деформаций (рис. 4.2) убедительно подтвердили эту
гипотезу. Эти исследования одновременно дали ответ на вопросы: куда
исчезает металл и почему высота микронеровностей при их пластической
деформации уменьшается на большую величину, чем уппъ,ш- Исходя из
равенства объема металла до и после пластического деформирования это
уменьшение будет 2упл_в_ш (см. рис. 4.1):
129

Рис. 4.2. Изменение профиля
шероховатости при
пластическом деформировании:
а) исходный профиль; б)
профиль после
пластического деформирования (Rz,^ =
= 20 мкм, Rz3KCn = 14 мкм,
>пп.в.ш = •*мкм' вертикальное
увеличение ВУ = 1000,
горизонтальное увеличение ГУ =
= 50)
ARz = 2у.
Шероховатость поверхности, не вступившей в контакт, естественно,
остается без изменения. Таким образом, шероховатость контактирующих
поверхностей будет находиться в диапазоне от Rz,vm = Rz„„v - 2v„
■n JKCIl ИСл "^ ПЛ.В.Ш
до Rz„cx.
Зависимость изменения шероховатости от давления за счет
пластических деформаций при контактировании наглядно проявляется при
вдавливании сферического индентора (d = 6 мм) в шероховатую
поверхность (рис. 4.3). Наряду с шероховатостью таким же изменениям
будет подвержена и волнистость контактирующих поверхностей.
Дальнейшее увеличение контактных давлений приводит к
распространению зоны пластических деформаций на волны и к их основанию, а
следовательно, и к уменьшению их высоты на 2упл
Величина^ в в может быть рассчитана по формуле [92]:
Рис. 43. Изменение
шероховатости при пластическом
деформировании:
/ - Ra = 1,0 мкм; II- Ra =
= 2,0мкм;а-/' = ЮН; 6-
/> = Ю0Н;в-/»=250Н
130
KXWRpJ^Wz,
6Аа1тИаКа°г
^
(4.2)
где WzHCX - исходная средняя высота волн; Аа - номинальная площадь
контакта.
Аналогично шероховатости высота волн контактирующих
поверхностей будет находиться в диапазоне от Wz3Kcn = WzHCX - 2упл в в до WzHcx.
Экспериментально уменьшение высоты волн не только за счет
пластических деформаций шероховатости, но и собственных
пластических деформаций наглядно обнаруживается при контактировании
единичной сферической шероховатой волны с гладкой поверхностью
(рис. 4.4)!
Уменьшение макроотклонения контактирующей поверхности
составит ,
(4.3)
где А - геометрическая площадь контакта; Нтахисх - исходная величина
макроотклонения.
При одновременном приложении нормальной и касательной нагрузки
к контактирующим поверхностям величина пластических деформаций
шероховатости, волнистости и макроотклонения может быть рассчитана
по формуле:
в' Утм'>
(4.4)
где/- коэффициент трения контактирующих поверхностей.
Приложение дополнительной вибрационной нагрузки к
контактирующим поверхностям вызывает дополнительное уменьшение их исходной
шероховатости, волнистости и макроотклонения на величину [74]:
Рис. 4.4. Изменение профиля
единичной волны в процессе
пластических деформаций
(/?„ =9мм; /» = 450Н, ВУ =
= 500, ГУ =100):
1 - исходный профиль волны;
2 - пластически
«сформированный профиль волны
131

У'а.' -±~ . (4.5)
^ yhb;
где Т - текущее время с момента действия вибраций; THB - время
испытания на твердость по Бринелю; т] - определяется по формуле
(3.35); к = vHCX - для шероховатости; к = vHCX + 2 - для волнистости; к =
= vHCX + 4 - для макроотклонения.
Так как фактическая площадь контакта составляет малую часть по
сравнению с геометрической, то на ее участках возникают высокие
давления, вызывающие их пластические деформации и упрочнение.
Вследствие этого, очевидно, микротвердость контактирующих
поверхностей будет изменяться от ее исходного значения Н„исх (для
участков не вступивших в контакт) до пластической твердости HD, при
которой выступы неровностей, первыми вступившие в контакт,
достигают своего пластического насыщения. Особенно сильно
проявляется изменение качества поверхностного слоя деталей при трении и
изнашивании.
Исследователи, занимающиеся вопросами трения и изнашивания,
установили, что в период приработки шероховатость поверхности трения
претерпевает значительные изменения. Одним из основных условий
завершения процесса приработки было принято считать переход
исходной технологической шероховатости к эксплуатационной [43].
М.М. Хрущев [107] и П.Е. Дьяченко [25] экспериментально показали, что
по окончании приработки на поверхности трения формируется
шероховатость, независящая от исходной, полученной при механической
обработке, а зависящая только от условий изнашивания. Эта
шероховатость является оптимальной для данной пары и условий трения и
обеспечивает минимальное
изнашивание. Она может быть
как меньше, так и больше
исходной (рис. 4.5) [98].
И.В. Крагельский и B.C. Ком-
балов [44] для
шероховатости, сформировавшейся в
процессе приработки, ввели
Рис. 4.5. Изменение шероховатости
поверхности трения при изнашивании:
/ - Rz^ = 5,4 мкм; 2 - Rz^ =0,5 мкм
132
S.2
ч*
V.O
3.2
2.»
! Q*
\ ь
А
г
У
"г
' 2 1 6 3 ?«ас
Рис. 4.6. Схематическое представление
формирования равновесной
шероховатости:
/-зона схватывания; II- зона
преимущественно молекулярного износа; III-
оптимальная зона молекулярно-кине-
тического износа; IV- зона
преимущественно механического износа; V- зона
микрорезания
понятие "равновесная
шероховатость" и предложили
безразмерный комплексный параметр
ее оценки
Д = Rmax/(rb11*), ^4.6)
где Rmax - максимальная
высота шероховатости; к - радиус
скругления вершин микрбне-
ровностей; v и Ь - параметры опорной кривой.
Процесс формирования равновесной шероховатости поверхности
трения схематически представлен на рис. 4.6. Слева показан износ
идеально гладкой поверхности, приводящей к схватыванию и вырыву
частиц материала, возникновению шероховатости и постепенному ее
переходу к равновесной. Справа - износ поверхности трения, имеющей
большую шероховатость, приводящую к микрорезанию, ее уменьшению
и переходу к равновесной. Посередине - износ поверхности с исходной
шероховатостью, близкой к равновесной.
Среднее арифметическое значение профиля равновесной
шероховатости, сформировавшейся на поверхности трения после приработки, можно
рассчитать по формуле (при v = 2):
1/2
(4.7)
где та - адгезионное свойство материала поверхности трения [44]; а -
коэффициент гистерезисных потерь при скольжении аг = 2,2а, где Д -
коэффициент гистерезисных потерь для материала при одноосном
растяжении-сжатии) [44]; 0 - постоянная физико-механических свойств
материала 0 = (1 - ц2)/£; рс - контурное давление.
ппаи
Ra = 32
V аг/
5/4
e*v;
-1/2
133

Безразмерный комплексный параметр равновесной шероховатости
определяется из уравнения [44]:
= 16|-i
5/4
9*р,-,Я.
(4.8)
В период стационарного изнашивания равновесная шероховатость
воспроизводится на всем последующем процессе нормальной работы
пары трения. Все это позволило некоторым исследователям сделать
вывод, что технология обработки поверхности трения не оказывает
влияние на ее долговечность. Но совершенно очевидно, что чем больше
исходная шероховатость поверхности трения отличается от оптимальной,
тем больше будет износ в период приработки, а следовательно, тем
меньше долговечность пары трения (рис. 4.7). Это говорит о том, что
технология обработки поверхности трения оказывает значительное
влияние на ее долговечность, а также указывает на необоснованность
стремления конструкторов к завышению требований к шероховатости
рабочих поверхностей трения деталей машин.
Наряду с шероховатостью, в процессе приработки претерпевают
изменения и другие параметры поверхности трения: макроотклонение,
волнистость и физико-механические свойства. Величина
макроотклонения при изнашивании будет постоянно уменьшаться за счет износа
контактирующих участков. Волнистость поверхности трения в
зависимости от условий изнашивания и ее исходного значения в процессе
Аи'
маю.
Допусж/юя de/wmtt ojwra детм/. о/у?е&лгл?&ая
Рис. 4.7. Взаимосвязь долговечности поверхности трения с ее исходной шероховатостью
134
приработки будет изменяться аналогично шероховатости. Малые волны
при больших нагрузках могут вызвать "пленочное голодание" [44],
схватывание и вырывы значительных объемов, т.е. их увеличение. К
увеличению волн приводят вибрации в узлах трения. При большой
исходной волнистости происходит ее вершинный износ и уменьшение.
Изменению физико-механических свойств поверхностных слоев при
трении посвящены работы Б.И. Костецкого [42], Н.М. Любарского [48],
Н.А.Буше [11].
Анализ физико-химических процессов, протекающих на
поверхностях трения в период приработки, позволил Б.И. Костецкому установить,
что происходит образование вторичных структур. И.М. Любарский
показал, что для сталей, имеющих гетерогенное строение, структурные
изменения в процессе приработки приводят к образованию особого слоя,
определяющего износостойкость материала. Н.А. Буше в своих работах
также подтверждает процесс структурных изменений в поверхностном
слое деталей при трении! Эти структурные изменения зависят как от
материалов контактирующих деталей, так и от условий трения. Это
позволило ему научно подойти к выбору материала деталей для
различных узлов трения. ь
Следует отметить, чЗчэ процесс изменения макроотклонения,
волнистости, шероховатости и физико-механических свойств
поверхностей трения в процессе приработки будет взаимосвязанным. Уменьшение
макроотклонения и волнистости будет приводить к увеличению
номинальной и контурной площадей контакта и числа контактирующих
микронеровностей и постепенному переходу контактных пластических
деформаций к упругим, т.е. к изменению физико-механических свойств
поверхностей трения, Очевидно, что значение формируемой равновесной
шероховатости будет зависеть от других параметров поверхности трения,
в частности, макроотклонения, волнистости и физико-механических
свойств. Все это позволило сформулировать понятие: равновесное
состояние поверхности трения [77] и предложить комплексный параметр
для его оценки (1.35).
Уравнение для расчета оптимального значения этого комплексного
параметра поверхности трения имеет следующий вид [77]:
с;.^)^. (49)
I xpw ) (1 - ц2)1Д
где / - допустимая интенсивность изнашивания поверхностного слоя
детали; % ~ коэффициент [43]; п - число циклов воздействия, которое
приводит к разрушению материала [43]; р - нормальное давление на
поверхности трения.
135

Все это говорит о том, что в процессе эксплуатации происходит
взаимосвязанное изменение параметров качества поверхностного слоя
деталей машин и только технологическое обеспечение оптимального
значения комплексного параметра позволяет в значительной мере
повысить их долговечность.
4.2. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Анализ теоретических уравнений и экпериментальных данных (см.
гл. 3) показывает, что эксплуатационные свойства деталей машин зависят
от системы параметров качества их рабочих поверхностей:
макроотклонения Hmax, Нр; волнистости Wz, Wp, Sm)t,; шероховатости Ra, Rz,
Rmax, Rp, Sm, S, tp; субшероховатости Rmax', Sm'; физико-химических
свойств оост, Ил, Нй0 («„), Лц, е, /,, pD (табл. 4.1).
Учитывая, что из характеристик качества поверхностного слоя
стандартизована-только шероховатость (ГОСТ 2789-73), в табл. 4.2
приведены ее параметры, рекомендуемые для простановки на рабочих
чертежах деталей машин [36]. Анализ этих таблиц и результаты
проведенных исследований позволяет выдать научно обоснованные
рекомендации по стандартизации параметров качества поверхностного
слоя деталей машин: для шероховатости - Rp, Sm; для волнистости - Wz,
Sny, для макроотклонения - Hmax; для субшероховатости - Rmax'; для
физико-механических свойств - Н „, Лц0, оост. Такая стандартизация
позволит успешнее решать проблему повышения надежности и
долговечности машин. Следует отметить, что стандартизации должны
подлежать параметры, оказывающие основное влияние на
эксплуатационные свойства деталей машин, технологически управляемые и
метрологически обеспеченные.
4.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Определение численных значений параметров качества
поверхностного слоя деталей машин исходя из их функционального назначения
может быть осуществлено расчетно-аналитическим, экспериментальным
и опытно-статистическим методами. Общая структурная схема решения
этой задачи приведена на рис. 4.8.
На основе совместного анализа условий функционирования (блок 1)
и технических условий на изделие (блок 2) определяют эксплуатационные
свойства деталей машин и их соединений, лимитирующие надеж-
136

4.2. Рекомендуемые параметры рабочих поверхностей деталей машин \/
Эксплуатационные свойства
Контактная жесткость
Износостойкость
Прочность
Усталостная прочность
Контактная прочность
Фреттингостойкость
Виброустойчивость
Коррозионная стойкость
Прочность сцепления покрытий
Герметичность соединений '
Прочность посадок
Теплопроводность Ь.
Параметры шероховатости
рабочих поверхностей
Ra, Sm, th, (Rp)
Ra, Sm, tp (Rp)
Rmax, Sm
Rmax, Sm
Ra, Sm, tp (Rp)
Ra, Sm, tp (Rp)
Ra, Sm, tp (Rp)
Ra, Sm, S
Ra, Sm
Ra, Sm, tp (Rp)
Ra, tp (Rp)
Ra, Sm, tp(Rp)
Направление
неровностей
II,x
-
II.x
Примечания. l.«Rp - нестандартизованный параметр шероховатости,
оказывающий основное влияние на экплуатационное свойство; 2. И и ± - параллельное
и перпендикулярное расположения следов обработки относительно изображенной
проекции на чертеже
ность и точность узлов и машин в целом (блок 3). Например, если
суммарное сближение сопрягаемых поверхностей под нагрузкой при
трении скольжения не должно превышать 20 мкм, а контактное
сближение поверхностных слоев составляет 5...6 мкм, то это значит, что
износ сопрягаемых деталей не должен превышать 15...14 мкм. Зная срок
службы машины, обусловленный ее моральным старением, или
экономически целесообразный период замены узла, определяют
фактическое время его работы или общий путь трения за этот период и
рассчитывают интенсивность изнашивания / = 14...15/L. Аналогичные
расчеты выполняют для остальных деталей и соединений. Следует
отметить, что переход от блока 7 и 2 к блоку 3 является
неформализованным, т.е. не поддается алгоритмизации. Это означает, что на данном
этапе проектирования весьма важными факторами являются имеющиеся
статистические данные по эксплуатации прототипов проектируемых
узлов или машин, а также опыт конструкторов.
После того как определены требуемые значения эксплуатационных
свойств проектируемых соединений, осуществляют поиск соответствую-
139

1
Условия функционирования детали
(нагрузка, скорость, температура,
окружающая среда и т.д.)
1
3
2
условия
на изделие
у
Установление эксплуатационных свойств деталей машин и их
соединений и допустимых пределов их изменения, определяющих
надежность и точность узлов и машины в целом
\ Г"эвм
И
II
м
II
м
II
4
Зависимости (или табличные данные) эксплуатационных свойств
деталей машин и соединений от параметров состояния
поверхностного слоя и условий функционирования
J
5
Выбор параметров качества поверхностного слоя,
обеспечивающих требуемые значения эксплуатационных свойств
в заданных пределах
1
6
Оптимизация параметров качества поверхностного слоя
по себестоимости изготовления
II
1:
II
II
1;
|1
1!
I!
||
II
II
t!
Л
Рис. 4.8. Структурная схема выбора конструктором параметров качества рабочих
поверхностей деталей машин --
щих зависимостей или табличных данных, которые характеризуют
количественную взаимосвязь между данными эксплуатационными
свойствами и параметрами состояния рабочих поверхностей (блок 4).
В блоке 5 осуществляется выбор параметров состояния рабочих
поверхностей деталей, обеспечивающих требуемые значения
эксплуатационных свойств в допустимых пределах их изменения. В этом блоке
можно решать разные задачи: 1) при известных размерах детали,
обусловленных конструктивными соображениями, выбирают материал,
точность размеров и параметры состояния поверхностного слоя; 2) при
заданном материале детали определяют размеры, их точность и
параметры состояния поверхностного слоя; 3) при известных размерах
и материале детали определяют их точность и параметры состояния
140
поверхностного слоя; 4) при известных материале, размерах и точности
детали определяют параметры состояния поверхностного слоя.
При решении этих задач сталкиваются с рядом ограничений. Так,
физико-механические свойства материалов определяются наличием
соответствующих марок, точность размеров и параметры состояния
поверхностного слоя - технологическими возможностями, т.е.
накладываются технические ограничения:
Тш^Т^Тт\ (4.10)
Ra^ * Ra s Rara„.
Некоторые из этих (ограничений взаимосвязаны. Так, физико-
химическое состояние поверхностного слоя деталей в значительной мере
определяется физико-механическими свойствами материала, точность
размеров - состоянием поверхностного слоя.
Решение всех этих зэдач многовариантно, поэтому в блоке б
осуществляют поиск оптимального варианта, как правило, по
себестоимости изготовления детали. При этом на основе анализа задач блока 5
определяют векторы постоянных параметров и независимых
оптимизируемых параметров:
К = (от, Е, ц, d...);
X = (Ra, tp, Wz, V..). (4.П)
Итак, решение задачи конструктора, начиная с блока 4, является в
достаточной степени формализованным,т.е. можетбыть
алгоритмизировано и реализовано на ЭВМ. При этом система уравнений характеристик
эксплуатационных свойств, технических ограничений, постоянных и
оптимизируемых параметров является исходной для разработки
алгоритма в блоках 5 и 6. При реализации этого алгоритма может быть
использован метод" ЛП-поиска", отличающийся большей простотой, чем
другие.
Структурная схема оптимизационного алгоритма расчетно-
аналитического метода определения параметров состояния
поверхностного слоя деталей машин по одному из эксплуатационных свойств
приведена на рис. 4.9. В данном алгоритме генерацию случайных
независимых переменных осуществляют с учетом ограничений. Далее
выполняют расчет характеристики эксплуатационного свойства, а
141

Входной алгоритм по одному из
эксплуатационных. cSotJcmSGC)
Сочетание сёойстбнотериалоб.
точности рознвроо и системы пар
четроос учетомограничений
Dn
m~t+1 -"
Запоминание оптимального барианта
Рис. 4.9. Структурная схема
оптимизационного алгоритма
по определению параметров
качества рабочих поверхностей
деталей машин
результат расчета
сравнивают с предыдущим
значением; запоминают
значение
характеристики эксплуатационного
свойства, наиболее
близкое к требуемому, а
также значения параметров
состояния
поверхностного слоя деталей, при
которых они получены.
При этом одно и то же
значение
характеристики эксплуатационного
свойства может быть
получено при различных
многовариантных
сочетаниях параметров
качества поверхностного
слоя деталей. Поэтому
появляется
необходимость ввести
оптимизационный алгоритм. Следует отметить, что задача конструктора
значительно облегчается при использовании комплексных параметров
для оценки состояния поверхностного слоя деталей машин, в частности
П и 0Х. После выбора метода вычислений составляют программу расчета
по структурной схеме на одном из алгоритмических языков.
В процессе экспериментального метода проводят исследования того
или иного эксплуатационного свойства при различных параметрах
качества поверхностного слоя образцов. Параметры, обеспечивающие
требуемое значение эксплуатационного свойства, - оптимальные.
При табличном методе численные значения параметров качества
поверхностного слоя деталей машин (как правило определенные
статистическим методом) берутся из таблиц. Так, в табл. 4.3 приведены
оптимальные значения стандартизованных параметров шероховатости
поверхностей различных деталей машин, рекомендуемые для
простановки на рабочих чертежах.
Определение ЭС
Конец
У
142
4.3. Оптимальные значения параметров шероховатости
поверхностей деталей машин
Поверхности деталей
I
Опорные шейки валов:
под подшипники
скольжения
под вкладыши из
бронзы
под баббитовые
вкладыши
под вкладыши из чугуна
под вкладыши из гра-
фитопласта
под подшипники
качения
Рабочие поверхности
шариковых и роликовых
подшипников
Поверхности,
обеспечивающие избирательный
перенос
Поверхности валов,
работающих под нагрузкой
Напыленные поверхности
трения скольжения
Поверхности:
под напыление
под электрохимические
покрытия
Свободные несопрягаемые
торны валов, фланцев,
крышек
Опорные поверхности
корпусов, кронштейнов,
шкивов и других деталей, не
являющихся посадочными
Ка
Rz
Rmax
мкм
■ 2
0,2-0,5
0,32-0,63
♦0,20-0,32
I
'«0,32-0,5
0,32-0,4
-0,63-2,0
0,08-1,0
0,25-0,50
-
0,08-0,10
-
—
3
-
—
—
-
-
50-125
1,0-4,0
15-100
12-30
4
-
—
. —
0,63-1,25
-
-
—
Sra, мм
5
0,032-0,05
0,032-0,06
0,020-0,032
0,032-0,05
0,025-0,04
0,040-0,06
0,020-0,032
0,025-0,04
0,060-0,10
0,020-0,04
0,200-0,50
0,025-0,080
—
tso, %
6
45-70
45-70
45-70
65-70
50-70
45-70
45-70
45-50
-
45-50
-
-
143

Поверхности деталей
1
Поверхности посадочных
отверстий зубчатых колес
Шейки и кулачки
распределительных валов
Рабочие шейки коленчатого
вала
Поверхности отверстий
рычагов, вилок, сопрягаемых с
валами или осями
Координирующие
поверхности
Поверхности под
склеивание
Поверхности, соединяемые
с натягом
Посадочные конические
поверхности гидропередач
Боковые поверхности:
зубьев колес
ниток червяков
Поверхности осцаэания
отверстий корпусов:
стальных
чугунных
из алюминиевого
сплава
Сопрягаемые поверхности
корпусов и крышек
Поверхности зеркала
цилиндра
Образующая поверхность
поршневого кольца
Торцовая поверхность
кольца
Юбка поршня
Канавка в поршне
Ra
Rz
Rmax
мкм
2
0,50-2,0
0,25-0,40
0,2-0,3
0,63-1,25
0,063-0,1
-
0,5-2,5
0,8-1,2
0,40-1,25
0,25-0,4
0,63-1,6
1,0-2,0
0,5-1,2
-
0,2-0,63
0,63-1,25
0,25-0,63
0,63-1,25
0,2-0,63 .
3
-
-
-
—
-
15-20
-
-
_
10-60
-
-
-
-
-
4
-
-
-
—
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Sm, мм
5
-
0,05-0,08
0,04-0,06
—
0,032-0,05
-
0,032-0,15
0,04-0,10
0,032-0,06
-
-
0,04-0,08
0,03-0,06
0,03-0,06
-
0,03-0,08
t5U, %
6
-
50-60
50-60
-
-
-
45-50
45-50
45-60
-
-
45-50
45-50
45-50
-
45-50
144
Поверхности деталей
1
Поверхность отверстия в
поршне под палец
Поршневой палец
Толкатель
Отверстия в головках
шатуна:
Малое
большое
Втулка шатуна
Рабочая поверхность
шарового пальца
Клапан
Рабочая поверхность
проушины колодки переднего
тормоза автомобиля
Рабочая поверхность
фланцев под уплотнения
Поверхность канавки
каретки включения передач
Рабочая поверхность
пальцев крестовины
дифференциала заднего моста
автомобиля
Поверхности под
уплотнение полуоси заднего моста
автомобиля
Рабочая поверхность гнезда
турбины под лопатку
Поверхности лопаток
турбины и компрессора:
замка
пера лопатки
Ra
Rz
Rmax
мкм
.2
0,3-0,5
0,1-0,2
0,16-0,32
0,5-1,25
0,6-1,0
,0,25-0,6
1 0,2-0,3
t
<
0,16-0,25
1,2-1,6
0,4-0,8
1,25-2,5
0,5-0,8
0,5-0,8
0,5+20 %
1,0-1,25
0,63-1,25
3
-
-
-
-
—
—
-
—
-
-
4
-
_
-
-
_
—
-
-
—
-
-
Sm, мм
5
0,03-0,05
0,01-0,06
0,02-0,05
-
0,03-0,06
0,04-0,06
0,02-0,04
—
0,08-0,15
-
0,03-0,06
0,08-0,15
0,02-0,05
0,08-0,10
0,04-0,10
tso, %
6
45-50
50-60
50-60
45-50
45-50
45-50
50-60
50-60
—
70-80
-
45-50
70-80
-
45-50
45-50
145

Поверхности деталей
1
Рабочие поверхности
деталей тележки
рефрижераторной секции:
оси
подпятника
втулки
валика
Поверхность трения
подвески вагона
Поверхность трения балки
вагона
Рабочая поверхность рамы
вагона
Рабочая поверхность оси
колесной пары
Посадочная поверхность
отверстия колеса
Поверхности
направляющих трения скольжения
станков:
универсальных
прецизионных
тяжелых
Поверхности
направляющих качения
Рабочие поверхности
матриц и пуансонов вырубных
штампов
Поверхности
заготовительных ручьев
ковочных штампов
Поверхности
окончательных ручьев ковочных
штампов
Ra
Rz
j Rmax
мкм
2
0,63-1,25
1,25-2,5
1,8-2,0
-
1,0-2,5
0,32-0,63
0,63-1,25
0,63-1,25
0,5-0,8
0,1-0,15
1,25-2,0
0,12-0,16
0,32-2,0
-
-
3
15±10%
15±70%
-
-
-
-
-
-
-
50-200
20-100
4
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Sm, мм
5
-
-
0,03-0,08
-
-
-
0,04-0,06
0,02-0,03
0,02-0,03
, 0,12-0,32
-
-
tsi), %
6-
65-70
-
60+5 %
-
45-50
45-50
45-50
45-50
45-50
45-50
-
-
146
4.4. ПРИМЕРЫ НАЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Пример 1. Спроектировать соединение вала с втулкой, передающее
крутящий момент М - 0,013 Нм. Заданы номинальные размеры: d =
= 20 мм, / = 15 мм, D - 26 мм и характеристики механических свойств
материалов: £( = Е2 = 21 104 МПа и ц, = ц2 = 0,3. Уравнение для
инженерных расчетов натяга Д и параметров состояния сопрягаемых
поверхностей посадок с натягом, позволяющих передавать заданный
крутящий момент, имеет следующий вид:
Д - RHp, + Нр,) + (Wp, + WPj) + (Rp, + Rp,)]
2-10*A/
ndlf
[D1 - d1
ft
E2 )
(4.12)
Подставив исходные данные в уравнение (4.12), получим
Д - [{Нр, + Hi) + (Wp, ♦ WPz) + (Rp, + Rp,)] =
2103-0,013
я20-15-0,2 ^
262 - 202 + 1 - 0.32
21-Ю4 21 -104
0,002 мм.
Учитывая, что для соединений с натягом диаметром 20 мм в
соответствии с ГОСТ 25347-82 предпочтительными являются посадки
Н7. Н7. Н7. Н7 „ Н7
кб пб рб ' гб s6
то натя,г Д (мкм) может быть: 2...36; 15...49; 22...56; 28...62; 35...69.
Отверстия диаметром 20 мм по 7-му квалитету может быть изготовлено
чистовым развертыванием, шлифованием и тонким растачиванием. По
данным работы [36], эти методы обработки позволяют соответственно
получить следующие средние значения параметров поверхностей: Rp| =
= 2,8 мкм, Wp( = 1,4 мкм иЯр! = 1,8 мкм, Wp, = 1,4мкм, Hpj = 2,5 мкм.
Вал диаметром 20 мм по 6-му квалитету может быть изготовлен тонким
обтачиванием и шлифованием [36], которые позволяют получить Rp2 =
= 1,4 мкм, Wp2 = 0,6 мкм, Нр2 = 2,5 мкм и Rp2 = 0,5 мкм, Wp2 = 0,3 мкм,
Нр2 = 2,0 мкм.
147

Если все 100 % изготовляемых соединений гарантируют передачу
заданного крутящего момента, то натяг для рекомендованных посадок
составляет: 2; 15; 22; 28 и 35 мкм.
В соответствии с изложенным выше получим:
втулка обрабатывается чистовым развертыванием, вал - тонким
обтачиванием
2-[(4+2,5)+(1,4+0,6)+(2,8+1,4)] = -10,7 мкм < 2 мкм,
15-[(4+2,5)+(1,4+0,6)+(2,8+1,4)] = 2,3 мкм = 2 мкм,
22-[(4+2,5)](1,4+0,6)+(2,8+1,4)] = 9,3 мкм > 2 мкм.
остальные варианты можно не просчитывать;
втулка обрабатывается чистовым развертыванием, вал - тонким
шлифованием
2-[(4+2)+(1,4+0,3)+(2,8+0,5)] = -9 мкм < 2 мкм,
15-[(4+2)+(1,4+0,3)+(2,8+0,5)] = 4 мкм - 2 мкм;
22-[(4+2)+(1,4+0,3)+(2,8+0,5)] = 11 мкм > 2 мкм;
втулка обрабатывается чистовым шлифованием, вал - тонким
точением
2-[(2,5+2,5)+(2,4+0,6)+(2,4+1,4)] = -9,8 мкм < 2 мкм,
15-[(2,5+2,5)+(2,4+0,6)+(2,4+1,4)] = 3,2 мкм = 2 мкм,
22-[(2,5+2,5)+(2,4+0,5)+(2,4+1,4)] = 11,2 мкм > 2 мкм;
втулка обрабатывается чистовым шлифованием, вал - тонким
шлифованием
2-[(2,5+2)+(2,4+0,3)+(2,4+0,5)] = -8,1 мкм < 2 мкм,
15-[(2,5+2)+(2,4+0,3)+(2,4+0,5)] = 4,9 мкм = 2 мкм,
22-[(2,5+2)+(2,4+0,3)+(2,4+0,5)] = 11,9 мкм > 2 мкм;
втулка обрабатывается тонким растачиванием, вал - тонким точением
148
2-[(2,5+2,5)+(1,4+0,6)+(1,8+1,4)] =-8,2 мкм < 2 мкм,
15-[(2,5+2,5)+(1,4+0,6)+(1,8+1,4)] •= 4,8 мкм = 2 мкм,
22-[(2,5+2,5)+(1,4+0,6)+(1,8+1,4)] = 11,8 мкм > 2 мкм;
втулка обрабатывается тонким растачиванием, вал - тонким
шлифованием
2-[(2,5+2)+(1,4+0,3)+( 1,8+0,5)] = -6,5 мкм < 2 мкм,
15-[(2,5+2)+(1,4+0,3)+( 1,8+0,5)] = 6,5 мкм > 2 мкм.
Таким образом, единственно приемлемой посадкой для данного
Н7 ♦
соединения является —, Так как она является легконапряженной,
отпадает необходимость'в проверочном расчете втулки и вала на
прочность. При изготовлении втулки и вала в условиях существующего
производства метод окончательной обработки их сопрягаемых
поверхностей конструктсдэ согласует с технологами. Если же их
изготовление будет производиться на новом производстве, то с учетом
технологической себестоимости целесообразно обрабатывать втулку
чистовым развертыванием, а вал-тонким обтачиванием. Следовательно,
сопрягаемые поверхности втулки и вала должны иметь следующие
параметры:
втулка - Нр, = 4 мкм; Wp, = 1,4 мкм; Rp, = 2,8 мкм,
вал - Нр2 = 2,5 мкм; Wp2 = 0,6 мкм; Rp2 = 1,4 мкм.
Так как из геометрических параметров поверхности стандартизован
только параметр шероховатости, в соответствии с табл. 4.2 на рабочих
чертежах детали должны быть
проставлены параметры Ra и tp,
значения которых определяются из
табл. 6.5 и 6.15. Для чистового
развертывания втулки с Rp = 2,8 мкм -
Ra = 1,00 мкм, /50 = 40 %; для тонкого
обтачивания вала с Rp = 1,4 мкм -
Ra = 0;5 мкм, *50 = 40 %. .
Таким образом, на сопрягаемых j °ш[ *
поверхностях рабочих чертежей
втулки И вала ДОЛЖНЫ быть проставлены Рис- 4Л0- Постановка размеров я пара-
г метров шероховатости иа рабочих черте-
размеры и параметры шероховатости жах.
(рис. 4.10). о - втулка; б - опорная шейка вала
149

Пример 2. Определить значения комплексного параметра
поверхностного слоя и его составляющих основных отверстий корпуса
электродвигателя (D = 52 мм) под наружные кольца подшипников качения для
следующих условий: допустимый износ и = 0,13 мм в течение 40000 ч
работы; рабочее давление/» = 15 МПа, средняя частота вращения вала
и =1500 мин-1.
Определим интенсивность изнашивания, исходя из условия, что
наружное кольцо подшипника качения проскальзывает в корпусе на 30°
за один оборот вала:
/ = а - 0,13-360 _ j 6.10-ю
L я52-1500-4000-30
При изготовлении корпуса из алюминиевого сплава АЛ2 (от =
= 150МПа,£= 105МПа,ц = 0,25,т= 104,х = 0,2). Подставляя исходные
данные в уравнение (4.9) получим следующее значения исходного
параметра качества поверхности основного отверстия:
С,- 1,6-10-° 25*™-150»Ч0М0< .
0,2-157/6(1 - 0,25" Ъхп
Это значение комплексного параметра получается раскатыванием (см.
табл. 6.23). Методом перебора установлены значения аргументов
(отдельных параметров состояния поверхностного слоя),
удовлетворяющие значению комплексного параметра. Учитывая возможности
раскатывания (см. табл. 6.15) Ra = 0,1 мкм, Sm = 0,02 мм, tm = 60 %, Wz =
.= 1 мкм, Hmax = 6 мкм, к = 1,3, А = 1.
Таким образом, на рабочей поверхности основного отверстия корпуса
из алюминия конструктор должен проставить
0,1 Раскатать
Sm0.02 / Wis
t4oSO
При изготовлении корпуса из алюминия с втулками основных отверстий
под подшипники из стали СтЗ (ов = 392 МПа, Е = 21104 МПа, ц = 0,3,
л=104,х = 0,2)
с _ 16.10-.о 25^-329^(21 -10Y2-10* , Q ??
" ' 0,2-157/6(1 - О.З2)172 ' "
150
Это значение комплексного параметра получается тонким
растачиванием, что соответствует: Ra = 1,0 мкм, Sm = 0,08 мм, tm = 45 %, Wz =
= 5,0 мкм, Hmax = 12 мкм, к = 1,0, Я = 1,0 и на чертеже конструктор
должен проставить
to
Smg0J
tso«
При изготовлении корпуса из чугуна СЧ 18 (осж = 687 МПа, Е-
= 11,8-104 МПа, ц = 0,25, п = 104, х = 0,2)
С = 1,6-10"10 = 0,92.
0,2-157/6(1 " О^2)"2
Такое значение комплексного параметра обеспечивается чистовым
растачиванием (см. табл. 6123) при Ra = 2,0 мкм, Sm = 0,12 мм, tm = 40 %,
Wz = 6,0 мкм, Hmax = 8,0 мкм, к = 1,0, X = 1,0 (табл. 6.15). На рабочей
поверхности основных отверстий корпуса из чугуна конструктор должен
проставить |
20 Расточить
Пример 3. Определить параметры шероховатости поверхности вала
(d - 40 мм), изготовленного из стали 40Х (ов = 550 МПа) и работающего
на растяжение, обеспечивающие его усталостную прочность при действии
циклической нагрузки Р = 100 кН.
Уравнение для расчета параметров шероховатости имеет следующий
вид:
20 ( 60RmaxRa V'5 _ °. "°осг (. ...
(100 - tm)Sm V 100 - tm / о„
где аа - амплитудное напряжение.
Амплитудные напряжения, действующие на вал
0 , I = ±Ж . go МПа.
* F *0,042
При окончательной обработке поверхности вала чистовым точением
(см. табл. 6.5): tm = 45 %; Ra = Rmax/6, oOCT = 150 МПа. Подставив
исходные данные в уравнение (4.13), получим Rmax/Sm = 25. Этому
151

соотношению при чистовом точении соответствует: Rmax = 4,0 мкм,
Sm = 0,16 мм (табл. 6.5) и на чертеже конструктор должен проставить
При окончательной обработке поверхности вала шлифованием (см.
табл. 6.5) tm = 50 %, Ra = Rmax/7, oOCT = 50 МПа, а следовательно
Rmax/Sm = 32. Этому соотношению при шлифовании соответствуют:
Rmax = 1,5 мкм, Sm = 0,047 мм (см. табл. 6.5) и на чертеже детали
конструктор должен проставить
Шлифовать
При окончательной обработке поверхности вала накатыванием (см.
табл. 6.5) tm = 60 %, Ra * Rmax/5, o0CT = -400 МПа и Rmax/Sm = 40, что
обеспечивается при: Rmax = 10,0 мкм, Sm = 0,25 мм. На чертеже детали
конструктор должен проставить
Накатать
ПтгхЩО / Of
Таким образом, имеющиеся результаты исследований позволяют
научно обоснованно выбрать и определить численные значения
параметров качества рабочих поверхностей деталей машин, исходя из
их функционального назначения.
Глава 5
ВЗАИМОСВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
С УСЛОВИЯМИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Одним из важнейших аспектов в исследовании качества
поверхностного слоя деталей машин является теоретическое установление взаимосвязи
ее параметров с условиями обработки. Получистовая и чистовая
обработка деталей машин в промышленности, как правило,
осуществляется механическими метбдами [1, 18, 37, 40, 51, 99]. К этим методам
относятся лезвийная обработка (точение, растачивание, подрезка торца,
строгание, фрезерование, зенкерование и развертывание); алмазно-
абразивная обработка (шлифование, суперфиниш, полирование и т.п.);
отделочно-упрочняющая^ обработка поверхностным пластическим
деформированием (ОУО НПД) (накатывание, обкатывание,
раскатывание, вибронакатывание, выглаживание).
5.1. ПАРАМЕТРЫ ШЕРОХОВА ТОСТИ
Анализ имеющихся результатов исследований по формированию •
шероховатости поверхностей при различных методах обработки [1, 7,
26, 34, 38,92] позволяет сделать вывод, что в общем случае на
образование шероховатости при всех методах механической обработки оказывают
влияние следующие факторы:
1) геометрия рабочей части инструмента (резца, зерна, шарика,
ролика, алмазного индентора и т.п.) и кинематика его рабочего движения
относительно обрабатываемой поверхности;
2) колебательные перемещения инструмента относительно
обрабатываемой поверхности;
3) упругие и пластические деформации обрабатываемого материала
заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом;
4) шероховатость рабочей части инструмента;
5) вырывы частиц обрабатываемого материала.
В зависимости от условий обработки степень влияния каждого из этих
факторов на образование шероховатости поверхности будет различной.
Первые четыре фактора вызывают образование систематической
составляющей профиля шероховатости, которая может быть описана
153

Рис. 5.1. Исходная схема
для расчета высоты
профиля шероховатости
поверхности при механической
обработке
математически. Пятый фактор вызывает образование случайной
составляющей профиля и определяет разброс или дисперсию параметров
шероховатости.
Исходная схема для расчета систематической составляющей высоты
профиля шероховатости поверхности при механической обработке
приведена на рис. 5.1.
На рис. 5.1. показано, что средняя высота профиля шероховатости
в общем случае при всех методах механической обработки определяется
равенством:
Rz = A, + Л, +
Кз + К
(5.1)
где hl - составляющая профиля шероховатости, обусловленная
геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента; И2 -
составляющая профиля шероховатости, обусловленная колебаниями
инструмента относительно обрабатываемой поверхности; Л3 -
составляющая профиля шероховатости, обусловленная пластическими
деформациями в зоне контакта инструмента и заготовки; Л4- составляющая профиля
шероховатости, обусловленная шероховатостью рабочих поверхностей
инструмента.
Взаимосвязь параметров шероховатости деталей и режимов при
лезвийной обработке. Из геометрического построения величина Л, при
лезвийной обработке определяется из следующих зависимостей:
1) при ф < arcsin -?- и ф, < arcsin s
lr
lr
tgatgcpjj - /-(sin<p + sincp.)] - rtgcp(coscp. - coscp)
A, = r(l - coscp) + ! L ! ;(5 2)
tg<P + tgq>,
2) при ф s arcsin — и ф, s arcsin — полученная зависимость преобразу-
2r 2r
ется в уравнение Чебышева
А, = л2/8г;
(5.3)
154
3) при наиболее распространенных случаях ф г arcsin— и ф(
< arcsin -s
2r
А, = r(l - coscp,) + sin ср,р coscp, - ^5тф,(2г - jsincp,)]; (5.4)
4) при наименее характерных случаях ф < arcsin— и ф, > arcsin — ,
А, = 2(1 - coscp) + sincp[jcoscp - ^sincp(2r - Jsincp)J, (5.5)
где ф и ф, - главный и вспомогательный углы режущего инструмента в
плане; г - радиус при верЬшне режущей части инструмента.
Составляющая профиля шероховатости Л2 при лезвийной обработке
определяется амплитудой колебаний вершины инструмента относительно
обрабатываемой поверхности при его прохождении по выступу или
впадине исходной шероховатости и неравномерностью твердости
заготовки на различных участках обрабатываемой поверхности:
h = У^РО'» - HlCfr - Rzjl^ 6)
^спид
где с , уР , zP , п, ХР - коэффициенты [83]; v - скорость резания; е -
глубина резания; RzHCX - исходная средняя высота профиля
шероховатости обрабатываемой поверхности; НВтах и HBmin - колебания твердости
заготовки;у'СПИд - жесткость технологической системы.
Пластическое оттеснение обрабатываемого материала в зоне резания
приводит к увеличению высоты образующей шероховатости на величину
Л3, которая рассчитывается по формулам:
1) при ф < arcsin — и ф, < arcsin
s
1т
А. ^"
3 J_ + _L' (5,7)
tgq> tgcp,
2) при ф ;> arcsin— и ф! > arcsin —
32 г
К = ,,. ■ (5-8)
155

3) при ф a arcsin — и ш, < arcsin —
1г ' гт
Ъ
А, = s»
-L + 1а' (5.9)
4) при <р < arcsin— и ф, г arcsin —
2т- 2/-
А - i,OT
J_ + ll' (5.10)
tg<p j
Величина пластического оттеснения А при лезвийной обработке
определяется по формуле:
/
*«» " 0,5р
1 -
rZ
. . а2
ВДВ "т
(5.11)
где тсдв - прочность обрабатываемого материала на сдвиг; о - предел
текучести обрабатываемого материала; р - радиус вспомогательной
режущей кромки, который, как показала практика, может быть принят
равным 30 мкм.
Составляющая высоты шероховатости Л4 при лезвийной обработке
определяется средней высотой профиля шероховатости на вершине резца,
т.е. А4 - RzB p и зависит от технологии заточки и режимов резания'
Остальные параметры шероховатости при лезвийной обработке
рассчитываются по формулам:
Ra = 0,2Rz; (5.12)
Rmax = l,2Rz; Sm = S = s; (5 J3)
tp = 0,006/j22 при р <. 60 %; (5.14)
tp = 100 - 0,055(100 - p)18 при р > 60 %. (5.15)
Анализ приведенных зависимостей и имеющихся результатов
исследований показывает, что высотные параметры шероховатости
156
поверхности деталей при лезвийной обработке зависят от режимов
обработки, геометрии режущей части инструмента, его заточки,
определяющей шероховатость режущей кромки, жесткости
технологической системы, физико-механических свойств обрабатываемого материала
и исходной шероховатости обрабатываемой поверхности (табл. 5.5).
Наибольшее влияние на образование шероховатости оказывает подача
при ее значениях s a 0,08 мм/об. При меньших значениях (s < 0,08 мм/об)
изменение подачи практически уже не сказывается на изменении
шероховатости обработанной поверхности. При s < 0,08 мм/об высота
формируемой шероховатости определяется в основном радиусом при
вершине резца, его шероховатостью, радиусом вспомогательной режущей
кромки и физико-механическими свойствами обрабатываемого
материала и материала режущего инструмента. Увеличение предела
текучести и уменьшения сдвиговой прочности обрабатываемого
материала приводит к уверичению минимально достигаемой
шероховатости при лезвийной обработке.
Шаговые параметры шероховатости поверхности при лезвийной
обработке в основном определяются подачей. Относительная опорная
длина профиля шероховатости является стабильной и практически не
зависящей от режимов лезвийной обработки. Расчеты по формулам (5.14)
и (5.15) позволяют определить их численные величины.
Значения относительной опорной длины профиля шероховатости
поверхности при лезвийной обработке приведены ниже.
р, % 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90
tp,% 0,1-0,3 1-2 3-5 10-12 18-22 30-35 48-52 73-77 86-90 95-98
Таким образом, лезвийная обработка обладает достаточно широкими
возможностями в управлении высотными и шаговыми параметрами
шероховатости поверхностей деталей машин.
Взаимосвязь параметров шероховатости поверхностей деталей машин
с условиями их абразивной обработки. При абразивной обработке, в
частности шлифовании, профиль шероховатости, как правило,
формируется многократным прохождением режущих зерен в одном и том
же мгновенном сечении (рис. 5.2). Составляющая профиля
шероховатости поверхности, обусловленная геометрией режущих зерен и кинематикой
их перемещения при абразивной обработке определяется по формуле:
157

Рис. 5.2. Схема формирования
составляющей профиля
шероховатости А], при
четырехкратном (л = 4) прохождении
режущих зерен через
мгновенное поперечное сечение:
/-исходный профиль
шероховатости; 2 - профиль
шероховатости после
четырехкратного прохождения режущих
зерен инструмента
нл
-[Я2<1-|ф+Я,(1-|ф]
ПР
я£,£2
х 1п-
Ю [ ./спид
2n£,£2(Z)+d)
?[£2(l-^)+£,(l-f4)] 4-103Z>
/2 l±-
60v
(5.16)
где I - коэффициент, зависящий от концентрации абразивных зерен [1],
значения которого приведены ниже.
Концентрация зерен, % 50 100
I 0,96 0,9
150 200 250 300
0,86 0,82 0,78 0,75
JV - число выхаживаний; В - ширина шлифовального круга; snp -
продольная подача; / - глубина шлифования; Р' - нормальная
составляющая силы резания;у'СПцд ~ жесткость технологической системы; £,, ц]
и Е2, ц2 ~ модель упругости и коэффициент Пуассона связки круга и
заготовки; q = PJsnp - нагрузка на единицу длины активной линии
контакта; D и d - соответственно диаметры шлифовального круга и
детали; уд - скорость детали, м/мин; vKp - скорость круга, м/с; /-средний
шаг между зернами инструмента;"+" - для наружного шлифования;"-" -
для внутреннего шлифования.
При шлифовании колебательные перемещения шлифовального круга
относительно обрабатываемой поверхности вызывают образование
волнистости [92]. Однако на составляющую профиля шероховатости при
шлифовании оказывают влияние упругие колебательные контактные
перемещения единичных зерен шлифовального круга, обусловленные
158
разностью сил, действующих на них. Эта разность определяется
зависимостью [1]:
АЛ,
tC^Wgy^nk,,
fk
<t*ftgy
(5.17)
N юоо
где сРу, хРу, уРу, zPy, kyi, р, к - коэффициенты [1], х - средняя величина
зерна; ш - удельная производительность; а - коэффициент формы зерна.
Отсюда
К
__ АрДр - ц?) + £,(1 - &)
п£,£2
0>2
♦ т£х
Л»2
(5.18)
Составляющая Л3 Для абразивной обработки зернами определяется
из уравнения:
/
X + О
Is * г
К^
(5.19)
32
где г - средний радиус режущих зерен.
Анализ составляющей высоты профиля шероховатости А2 по
уравнению (5.18) показывает, что она на порядок меньше, чем А, и А3 и
для наиболее распространенных случаев составляет 0,0015...0,0017 мкм.
Естественно, что такой малой величиной при расчете высоты профиля
шероховатости можно пренебречь. Таким образом, подставляя
выражения (5.16) и (5.19) в формулу (5.1), получим общее уравнение
взаимосвязи средней высоты профиля шероховатости поверхности с
условиями ее абразивной обработки
Rz = 104
К-')
t -
./спид
-i[£2(l -ц?) +£,(1-^)1
W : •
я£,£2
159

X 1П-
1%ЕхЕгф + d)
-i[E,0 -иЬ-£20 -ц?)]
/2 1 ± ^°
40
/
£.♦■■?
Is + 2
\ l
1 -
u
^ + °т/
(5.20)
32
Математическое описание моделей распределения выступов и впадин
профиля шероховатости при абразивной обработке позволяет установить
связь ее высотных параметров между собой:
Ra = 0,18Rz, Rmax = l,35Rz.
Шаговые параметры шероховатости при абразивной обработке
описываются уравнениями
Sm = -2-2Е5
'-*■ (Nf _1I
В
(5.21)
S = -S-5'
ь№)
(5.22)
Приняв для абразивной обработки случайное распределение профиля
шероховатости, получены уравнения для расчета относительной длины
опорной линии:
tp = 0,02^2 прир <. 50 %,
(5.23)
tp = 100-0,02(100-pf при/» > 50 %.
(5.24)
Анализ приведенных зависимостей показывает, что высотные и
шаговые параметры профиля шероховатости поверхностей при
абразивной обработке зависят от режимов, характеристик шлифовально-
160
го круга (зернистости, концентрации и материала зерен, материала
связки), жесткости технологической системы, физико-механических
свойств обрабатываемого материала и СОТС. При шлифовании без
выхаживаний основное влияние на образование шероховатости
оказывают зернистость, продольная подача, концентрация зерен и
глубина шливования. Увеличение числа выхаживаний приводит к
снижению степени влияние перечисленных факторов на параметры
профиля шероховатости и увеличению влияния физико-механических
свойств обрабатываемого материала и материала зерен.
Уравнение(5.20)позволяетопределить минимальную шероховатость,
которая может быть получена при абразивной обработке. Так, при г =
20 мкм, от = 600 МПа, хсдв = 290 МПа, получим Rz,,,^ = 0,23 мкм. Таким
образом, для получения минимальной шероховатости при шлифовании
необходимо подбирать круги с малым размером зерна.
Относительная длина[ опорной линии tp не зависит от режимов
абразивной обработки и имеет конкретные значения.
Значения относительной опорной длины профиля шероховатости
поверхности при абразивной обработке приведены ниже.
р,% 5 10" 20 30 40 50 60 70 80 90
tp, %..... 0,4-0,6 1-3 6-10 16-20 30-35 48-52 65-70 80-83 90-95 97-99
Взаимосвязь параметров шероховатости поверхностей деталей машин
с условиями отделочно-упрочняющей обработки поверхностным
пластическим деформированием (ОУО ППД). Составляющая лрофиля
шероховатости, обусловленная геометрией и кинематикой перемещения
рабочего элемента инструмента при ОУО ППД (шарика, ролика,
индентора) относительно обрабатываемой поверхности А,, определяется
по формулам:
1) при ОУО ППД шариками и роликами кругового профиля
А, = iV(8r),
где s - подача, мм/об; г - радиус шарика или поперечный радиус ролика,
мм;
2) при ОУО ППД с каплевидным отпечатком
A1 = 2(l-cosv^+Jsinvecos<pe-sin<pe^sin<p0(27--.ssm<p)I)> (525)
где г - профильный радиус ролика; q>a - задний угол вдавливания.
Анализ показывает, что колебательные перемещения рабочего
элемента инструмента при ОУО ППД относительно обрабатываемой
161

:
! §
J ■
4
-5
-1
/ !
Ч^ , У ~~~^7 ' |
л 7*r~^L//1——T^if f^\
/ ^ \/\У v\/ \ /Л,
J v У V
Рис. 5.3. Исходная схема для расчета составляющей А3 при ОУО ППД
поверхности, обусловленные неоднородностью ее исходной
шероховатости и твердости, не оказывают влияние на образование шероховатости.
Составляющая профиля шероховатости Л3 при ОУО ППД определяется
как разность исходной высоты шероховатости Rz„cx и величины ее
пластических деформаций Апл (рис. 5.3):
Л = Rz«« - 2Ап
(5.26)
Величина пластической деформации исходной шероховатости
определяется формированием фактической площади контакта
инструмента с обрабатываемой поверхностью, способной воспринимать рабочую
нагрузку от инструмента (шарика, ролика) при его качении или
скольжении.
Фактическая площадь контакта инструмента с заготовкой с учетом
шероховатости исходной поверхности определяется следующей
зависимостью:
Л, = А.-0.5
3Ra
(5.27)
исх /
где Аа - номинальная площадь контакта инструмента с заготовкой,
складывается из фронтальной площади контакта Аа± и площади
упругого последствия А <:
вфр вупр*
(5.28)
При контактировании шарика с заготовкой составляющие
номинальной площади определяются по рис. 5.4:
Лофр - **AKHH/4>
(5.29)
162
Рис. 5.4. Исходная схема для расчета А а при ОУО
ППД шариком
Ашт ' 3^ЛЛупрУ4-
(5.30)
При накатывании роликом R = \lrDI2
глубина внедрения инструмента в
обрабатываемую поверхность при качении
или скольжении определяется по
формуле:
RPh
л/г(лЯНВясхГ 2f(l >/У5
2 " **нвисх j
*
Упругое восстановление определяется по формуле:
»
/!„«. = .
Т 32Я
(5.31)
(5.32)
Подставив зависимости (S.29), (5.30) в (5.28), а полученное уравнение в
(5.27) и затем в (5.26), получим формулу для расчета остаточной высоты
исходной шероховатости при ОУО ППД:
Rz„„U - 12
1200f(l +/У
**НВИСХ(А,
исх>- кин
h^
10,5
(5.33)
Составляющая профиля шероховатости Л4 при ОУО ППД
определяется шероховатостью рабочей поверхности инструмента (шарика, ролика,
индентора) - RzHHcr При дорновании, учитывая многократное
прохождение поперечного профиля шероховатости калибрующей
поверхности инструмента по одному,и тому же участку, составляющая
h4 будет бесконечно мала, т.е. /г4 = 0.
Остальные параметры шероховатости при ОУО ППД определяются
из равенств
Ra = 0,25Rz,
Rmax = l,15Rz,
Sm = Sm„„,
163

tp = \,5p при р s 40 %, (5.34)
tp = 100 - 0,012(100 - pf при р > 40 %. (5.35)
Приведенные выше теоретические зависимости и результаты
экспериментальных исследований показывают, что основное влияние
на образование шероховатости при ОУО ППД оказывают усилие
накатывания и исходная шероховатость. Это говорит о том, что
технологическая наследственность особенно ярко проявляется при ОУО
ППД: ОУО ППД позволяет в значительной мере повысить несущую
способность шероховатости поверхности.
Значения относительной опорной длины профиля шероховатости
поверхности при ОУО ППД приведены ниже.
р, % 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90
tp, % 5-10 15-20 30-35 45-50 60-65 70-75 80-85 88-92 94-96 98-99
5.2. ПАРАМЕТРЫ ВОЛНИСТОСТИ
В общем случае на образование волнистости поверхностей деталей
машин при механических методах обработки оказывают влияние
следующие факторы:
1) исходное состояние поверхностного слоя обрабатываемой
заготовки Я,;
2) биение заготовки и инструмента Я2;
3) геометрия инструмента и кинематика его перемещения
относительно обрабатываемой поверхности Я3.
В зависимости от методов и режимов обработки степень влияния
перечисленных факторов на образование волнистости будет различной.
Таким образом, средняя высота волнистости, образуемой на поверхности
детали при механических методах обработки, слагается из всех
перечисленных составляющих в соответствии с правилам и суммирования
случайных величин:
Wz = 1,2^Я,2 + Н\ + Я32. (5.36)
Составляющая высоты волнистости, обусловленная исходным
состоянием поверхностного слоя обрабатываемой заготовки Нх при
164
Рис. 5.5. Исходная схема для расчета Н{ при
шлифовании
лезвийной обработке, исходя из
разности сил, действующих на
инструмент, вызываемой разнородностью
состояния поверхностного слоя
заготовки и динамикой процесса может
быть определена по формуле [92]:
н c^v^HB^,«*HBl(f-W2H„-RzHC/4
' ./спид
где WzHCX - исходная высота волн.
(5.37)
При абразивной обработке, в частности шлифовании, дисперсия
исходного состояния поверхностного слоя приводит к динамическому
изменению нормальной сийы резания, а следовательно, и к вынужденным
колебаниям круга относительно обрабатываемой поверхности
заготовки (рис. 5.5):
Я, = Ьух + АС, + ун),
(5.38)
где Дук - колебания, обусловленные изменением контактных
деформаций; Д(у3 + уи) - вынужденные упругие колебания осей заготовки и
инструмента.
В общем случае разность контактных деформаций может быть
рассчитана по формуле [12, 92]:
a, .A^a-^-EiO-^
пВЕуЕг
2nBExE2(D + d)
(5.39)
Разность упругих отжатий осей заготовки и круга определяется по
формуле
Д(У3 + Уя) = А/уУсдд.
(5.40)
В этих уравнениях АРу определяется из условия изменения припуска
на величину WzHCX и твердости (HBmax - HBmin).
165

При ОУО ППД составляющая Я, определяется как уменьшение
исходной волнистости за счет пластических деформаций:
^ = WZlICX - 2
1 9P*zL
**НВИН[/
\ 1/4
(5.41)
Составляющая волнистости Я2, обусловленная колебаниями
заготовки и инструмента при лезвийной обработке, определяется по
формуле:
Я,
2С011 + cos
(«- 1)
180
т
(5.42)
где С0 - амплитуда главного колебания вдоль оси у, определяемая из
равенства С0 = Я,/2, т - знаменатель рациональной дроби [92].
При абразивной обработке биение поверхности шлифовального круга
и его волнистость будут вызывать колебания оси круга. Составляющая
от этих колебаний определяется по уравнению:
Я,
V
1 - cos
13 2^
■ /и
J_(± + l]
K\D d>\
(5.43)
где Акр - амплитуда биения шпинделя станка;/л -частота биения.
Изменение радиальной силы резания при шлифовании одновременно
приводит к неравномерному износу круга и появлению на его
поверхности волнистости. С появлением волнистости на круге усиливаются
колебания и процесс резания становится более неравномерным, что
приводит к увеличению высоты волн на шлифуемой поверхности. Для
предотвращения этого необходимо производить своевременную правку
шлифовальных кругов, которая одновременно освобождает инструмент
от "засаливания" и затупившихся зерен, что способствует улучшению
процесса резания и уменьшению сил резания.
При ОУО ППД составляющая волнистости Я2 от биения рабочей
поверхности ролика и ее волнистости может быть описана уравнением:
0,5
Нг= 1,4(1 + /*)Д?
ч
спид
"ЛНВИСХ(АЮИ + hynp)i
(5.44)
где Д - биение поверхности ролика.
166
Рис. 5.6. Исходная схема для
расчета кинематической
волнистости #3 (")и характерная
волнистость поверхности после
прерывистого шлифования (6)
Геометрия
инструмента и кинематика его
перемещения при
лезвийной обработке
оказывают влияние на
образование волнистости
через составляющие Hi
иЯ2.
При абразивной
обработке составляющая
Ну особенно ярко
проявляется при прерывистом
шлифовании в виде так
называемой
кинематической волнистости (рис. 5.6). Исходя из геометрических построений,
имеем
Я, =
= Д(1 ~ coso)
2 cos о
(5.55)
где
(5.56)
/вп - длина впадины прерывистого круга.
При ОУО ППД составляющая волнистости Я3 определяется толщиной
слоя металла, приводящего к образованию наплыва в направлении
движения деформирующего элемента, обусловленной кинематикой
перемещения и геометрией инструмента.
В процессе обработки перед рабочим роликом движется наплыв
обрабатываемого материала. Высота наплыва постепенно увеличивается,
приводя к увеличению площади контакта деформирующего элемента с
обрабатываемой деталью, следовательно, к их упругому отжатию. При
достижении критической величины наплыва ролик проскальзывает его,
вызывая образование составляющей Я3 и под действием радиальной
силы занимает свое исходное положение. Затем этот процесс повторяется.
167

Величина составляющей волнистости при этом может быть рассчитана
по формуле:
(5.57)
ffi
3
= Люш
- 2
1 -
/
/
>
(<
л
%т
2
■ + 1
J
\ 1
+ 1
1
(1 +
f\
Для уменьшения этой составляющей применяют ролики с
каплевидным контактом.
Анализ приведенных зависимостей показывает, что основное влияние
на волнистость при точении оказывает жесткость технологической
системы, скорость, подача и глубина резания. При шлифовании
формирование волнистости поверхности определяется емкостью технологической
системы, скоростью вращения детали, ее биением и условиями правки
круга. Как и для шероховатости, явление технологической
наследственности особенно ярко проявляется при ОУО ППД. Высота образующейся
волнистости зависит от ее исходного значения, усилия накатывания и
геометрии инструмента.
Остальные высотные параметры волнистости поверхности при
механической обработке рассчитываются по формулам:
Wmax = l,2Wz,
Wp = 0,5Wz - при лезвийной обработке,
Wp = 0,6Wz - при абразивной обработке,
Wp = 0,4Wz - при ОУО ППД.
Шаг волн Sm„. практически рассчитать не представляется возможным,
но на него оказывают влияние жесткость технологической системы,
частота ее колебаний, скорость резания и подача.
5.3. МАКРООТКЛОНЕНИЕ
Макроотклонение поверхности при механических методах
обработки определяется четырьмя факторами:
1) геометрической неточностью станка Я,;
2) разностью упругих деформаций технологической системы при
обработке поверхностей Я2;
3) температурными деформациями технологической системы в
процессе обработки поверхности Я3;
168
Рис. 5.7. Исходная схема для определения максимальной величины макрооткло.нения при
механической обработке наружной поверхности вала, сбазированного в центрах
4) износом режущего инструмента при обработке поверхности Я4.
Сложение этих составляющих макроотклонений по длине, ширине
или диаметру поверхности при определении Нтах производится
геометрически:
Нтах
НХ±Щ
щ ± я4.
(5.58)
Так, при обработке наружной цилиндрической поверхности вала
сбазированного в центрах, макроотклонение определяется по рис. 5.7.
В зависимости от соотношения составляющих макроотклонения Я3
и (Я, + Я2 + Я4) ее максимальная величина будет в сечении /-/, т.е. у
левого торца обрабатываемой поверхности вала или в сечении II-II, т.е.
на расстоянии /2 -1\12 от левого торца обрабатываемой поверхности.
Составляющая Я, при этом рассчитывается по формуле:
Я, =
1000
[мкм]
(5.59)
где Д - непараллельность направляющих относительно оси центров на
длине 1000 мм; /2- длина обрабатываемой поверхности.
Составляющая Я2 рассчитывается по формулам сопротивления
материалов
щ-
_ Рух\1, + 1г - х)2
ЪЕЩ + у
(5.60)
169

где Р - радиальная составляющая силы резания; Е- модуль упругости
обрабатываемого материала; У- момент инерции сечения детали (У =
= 0,05</*); х - расстояние от переднего центра до рассматриваемого
сечения.
При х = /| (сечение I-I)
Я,
IEJ(1X + у'
При* :
/, + /,
(сечение П-1Г)
(5.61)
Я,
_1А + &
48EJ
(5.62)
Для консольно закрепленного вала в патроне
Рхъ
Я, = -*—.
2 3£/
(5.63)
Составляющая макроотклонения #3 будет значимой только при
достаточно большом машинном времени (Т > 10 мин) обработки
поверхности и при точении и расточке рассчитывается по формуле [51]:
Щ = c-£o.(«)*"vW,
(5.64)
где с - коэффициент (при v = 100...200 м/мин, г <, 1,0 мм и s й 0,2 мм/об,
С = 4,5); /_ - вылет резца, мм; F- площадь поперечного сечения резца,
мм2; ов - предел прочности обрабатываемого материала.
Составляющая макроотклонения Я4 при точении и расточке
рассчитывается по формуле
#4 =
ь [МКМ],
1000
(5.65)
где и0 - величина относительного износа инструмента, мкм/км; L -
длина пути резания при обработке поверхности:
К = ~ М.
" 1000j
(5.66)
/2 - длина обрабатываемой поверхности.
170
Рис. 5.8. Исходная схема для расчета угла контакта
зуба торцовой фрезы с заготовкой
При торцовом фрезеровании плоской
поверхности величина относительного
износа определяется из уравнения
СО
\
1 ФП5
\//
W \
»0фр
1 +
_1_
10/,
1/
(5.67)
где ы0 - относительный износ для аналогичных материалов при точении;
/, - путь резания резца ф*езы за один ее оборот:
1000-360
М.
(5.68)
</фр - диаметр торцовой "фрезы, мм; ф - угол контакта зуба фрезы с
обрабатываемой поверхностью определяется из равенства (рис. 5.8):
sini|r/2 = Bld^. (5.69)
При шлифовании составляющая макроотклонения Я4 определяется
из равенства
Я. =
Ft
20F
[мм],
(5.70)
где / - глубина резания; F - площадь шлифуемой поверхности; FK -
рабочая поверхность шлифовального круга
Fx = *V- мм2>
где DKp и В- диаметр и ширина шлифовального круга соответственно.
Анализ полученных зависимостей показывает, что макроотклонение
поверхности при лезвийной и абразивной обработке в основном
определяется геометрической неточностью станка и жесткостью
заготовки и инструмента; при ОУО ППД исходная величина
макроотклонения практически не изменяется.
171

5.4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
При всех методах механической обработки деталей машин на степень
упрочнения поверхности будут оказывать влияние силовой и
температурный факторы. Учитывая, что почти все инструменты (резцы, абразивные
зерна, шарики, ролики), применяемые при механической обработке,
имеют скругленный рабочий участок с заданными поперечными и
продольными радиусами, для определения упрочнения поверхностного
слоя от силового фактора производится моделирование рабочей части
инструмента сферическим индентором. При вдавливании сферического
индентора в поверхность материала усилие, действующее на него, связано
с диаметром отпечатка по формуле Мейера:
Р = md0n, (5.71)
где d0 - диаметр отпечатка; тип- коэффициенты, зависящие от свойств
обрабатываемого материала.
Выразив диаметр через фактическую площадь пластического
отпечатка Аг, получим
Р = т \^-\ . (5.72)
Усилие деформирования в соответствии с теорией контактного
взаимодействия определяется из равенства:
Р ' НВИСХ«Л,. (5.73)
Подставляя выражение (5.73) в равенство (5.72), получим уравнение для
определения степени упрочнения:
4
0.6НВ I *
\п12
АГ\ (5.74)
где коэффициент 0,6 учитывает переход пластических деформаций на
основание выступов шероховатости.
Уравнение (5.74) является исходным для расчета степени упрочнения
при механических методах обработки без учета температурных
изменений, влияние которых на степень упрочнения пока не
представляется возможным описать математически.
Площадь Аг в каждом конкретном случае определяется условиями
обработки. Коэффициенты тип легко найти из испытаний на твердость
172
по Бринеллю при различных нагрузках. Так, для некоторых материалов
значения этих коэффициентов, по данным Ю.Г. Шнейдера [ПО],
приведены ниже:
Марка стали 20 45 40X38X1Н 18ХНЗА 34ХМ 20X13 12Х18Н9Г
т 44 56 63 135 75 61 40
п 2,32 2,31 2,32 2,31 2,29 2,31 2,26
При лезвийной обработке площадь контакта инструмента с
заготовкой, определяющая степень упрочнения, рассчитывается по
формуле
А. =
arccos
И)
ДЛ
■К—^
sin a
f-Rz .
+ 4 arccos
sin<p I
(l-M
(5.75)
где ДЛ - упруго-пластический оттесняемый слой обрабатываемого
материала, который можно рассчитать по формуле
ДЛ <0,5р
( /
2 2
еда т /
(5.76)
Л3 - износ по задней грани; ДЛуп - величина упругого восстановления,
рассчитываемая по формуле
^ = 2,4(1 -ц*)| Ш-Y;
(5.77)
а - задний угол резца.
Подставляя (5.76) и (5.77) в (5.75), получим уравнение для расчета
площади фактического контакта инструмента с заготовкой при
лезвийной обработке:
arccos
0.5- °'5t-
t-Rz
sin(p
+ 4arccos
,A \2Ар(1-11*)(т\2
5 sina { E )
(5.78)
При алмазно-абразивной обработке площадь контакта зерна с
заготовкой определяется по формуле
173

arccos
( « . ^ nparccos
0,5- ' ^
I /
C-?/
1 - 2,4(1 - ц2)
HB)2
E
90
(5.79)
nparccos 1 -
Rz
90
При отделочно-упрочняющей обработке площадь фактического
контакта инструмента с заготовкой определяется уравнением
А • лД- ml m
100 ^ Rpm)
180-arccos1 *'""*
180
arccos
1+-
480
(5.80)
Подставляя (3.78) в (5.74), получим уравнение для расчета степени
упрочнения при лезвийной обработке от силового фактора:
0,6 С ат
V «
arccos
0,5-
0,5х„
/4^J
,А „-2.4РС1-Ц»)
sine
If)"'
/-Rz
+ 4 arccos 1
sinq>
t)! •
J (5.81)
Учитывая, что упругое восстановление на порядок меньше
пластически-деформируемого слоя и высота образующейся
шероховатости значительно меньше глубины резания, получим
О.бСоД и,
\я/2
arccos
0,5-
0,5хы
/
*«> " °т/
+ А.
sin<py
(./2-1)
(5.82)
Аналогично получено уравнение для расчета степени упрочнения от
силового фактора при алмазно-абразивной обработке
174
т
О.бС'оД п)
л/ 2
arccos
Г* 2
л p arccos
1 - 2,4(1 - ц2)
НВ
л р arccos
1 _ Rz
90
90
(«/2-I)
(5.83)
Пренебрегая влиянием упругого восстановления на фактическую
площадь контакта, получим
0,6 С оД л
я/2
arccos
t
0,5- °*-
N nparccos
Утад~°т>
И1
:«/2-i)
90
(5.84)
Подставляя выражение (5.80) в формулу (5.74), получим уравнение
для расчета степени упрочнения от силового фактора при отделочно-
упрочняющей обработке:
и =
1 <jiR ига
0,6 С оД л J [
100
VRPhcx
un
arccos-
s- a
180
+ A
ynp
arccos■
s-a
v-|-ic/2-i> (5.85)
180
Учитывая, что Лупр на порядок меньше Лкин, а также принимая tm„cx =
= 50 %, Rp„cx = 3Ra; vHCX = 2, получим
и =
0,6 С о
V
я/2
Я| АШ1
R\ Ra
ИСХ,
arccos-
180
(к/2-1)
(5.86)
Учитывая, что для стали « = 2,3, подставим выражение aD
\ ПК
в формулу (5.86) и получим
I р W
it С о.
W
и = 0,91 ^г05 (C„k„J*.
(5.87)
175

Значение коэффициента См, по данным П.Г. Алексеева, может
изменяться от 1,5 до 2, Лкин см. (5.31).
При накатывании шариками или роликами с г<\0 мм на
упрочняющих режимах можно воспользоваться приближенной формулой:
тР0'15
и" Г!?' (5.88)
и а
Результаты экспериментальной проверки, полученных теоретических
данных при отделочно-упрочняющей обработке стали 40Х (г= 2,6...5 мм;
s = 0,25...0,044 мм/об; v = 2.4...3 м/с; Р = 1244...2670 Н) приведены ниже:
Экспериментальные данные ... 1,79 1,57 1,44 1,49 1,39
Данные расчетов по формулам:
(5.86) 1,73 1,48 1,52 1,48 1,25
(5.87) 1,73 1,40 1,50 1,32 1,24
(5.88) 1,71 1,34 1,34 1,71 1,35
Анализ полученных результатов показывает, что степень упрочнения
в значительной мере определяется физико-механическими свойствами
обрабатываемого материала и молекулярным взаимодействием
материала инструмента с заготовкой.
Что касается поверхностных остаточных напряжений, то до
настоящего времени нет достаточно простых теоретических уравнений
их взаимосвязи с условиями механической обработки. Разработанная
физическая картина образования поверхностных остаточных напряжений
и имеющиеся результаты теоретических и экспериментальных
исследований убедительно показывают, что их формирование определяется
температурами и силами, возникающими в процессе механической
обработки. Причем силы, как правило, вызывают остаточные
напряжения сжатия, а температуры - остаточные напряжения растяжения.
5.5. ОБОБЩЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
С УСЛОВИЯМИ ИХ ОБРАБОТКИ
Приведенные результаты теоретических исследований образования
параметров качества поверхностного слоя деталей машин при
механических методах обработки и анализ имеющихся работ [1,4, 7,8, 16, 20,26,
34, 38, 51, 56, 81] позволяют обобщить их взаимосвязь с условиями
обработки (табл. 5.1-5.7).
Из таблиц следует:
176
2|
N
5 2.
о ю
X О
Й- о
X
X
3
о
S
о
«о
В
со
а.
и.
а
В
со
Hmax

Точность
Параметр
. + +
+ *+
+ *+
+ V
+ *+
+ *+
■ *+
°*+
о +
о +
о +
о 1
ю
.о
1i
3
г-
■-S-S
я ° о
о
с
* *
1 1
* 4
1 1
* *
1 I
*| *|
1 +
о о
*
1
+ 1
1 1
+ 1
о о
о о
I = £
n S 2
О. 2 2
■я ° S
g v, Л
о. > >
о
а
и
*
+
*
+
+
+
*
+
о
о
+
+
*
+
*
+
+
1
S
X
я
а.
я
X
К
ю
>>
1 о
1 о
1 о
1 о
+ о
о о
* °
*+°
о о
1 о
+ о
1 о
U
X
я
ч
Б
m
5
>
1 *+
• i
\\
1 +
■ ;
о о
+ +
+ +
о +
* *
1 +
* *
+ +
* *
1 1
о
U.
>ч
>s
5 о о
а л v
а >- >•
о.
и
■С
*
+
*
+
*
+
+
1
о
1
*
1
о
*
+
+
1
А
X
X
3
а,
и
m
и
>-.
s
Ч
я
а.
*
+
*
+
*
+
*
+
I
о
+
+
о
+
+
1
IS
и
3
>,
*
о.
S
S
U
о.
3 о-
о s
S S
3 °
я о.
си -х
1
1
1
1
1
1
*
+
*
+
о
о
о
о
S
о
о.
X
IS .
и
и
о.
.л
(-
и
о
н
я
а
О I
О N?
о. ее!
3 х
+
+
+
+
+
+
1
1
*
1
*
1
*
1
*
+
>S
о
о
и
!■
S
L.
о
в
о
х —,
g §
J ,U
ч —>
о -я
X 2
И V
С н
и и
£ч о
177

-4
оо
Параметр
Точность станка
Неравномерность твердости
заготовки ДНВ
Предел текучести материала
заготовки от
Молекулярное сродство
материала режущей части
инструмента с материалом заготовки
соте
Исходные параметры
заготовки:
точность
волнистость
шероховатость

Точность
+*
-
-
*
+
+*
0
Нтах
_+
+
+
+*
-
+
0
Wz
—*
+
+ *
+
-
+ *
+
Sra„,
_#
+
+*
0
0
+*
+
Ra
-
+
-
-
-
0
0
+
Rp
-
+
-
-
-
0
0
+
Sm
0
0
0
-
-
0
0
+
s
0
0
-
-
-
0
0
+
°ocr
0
0
-
+
+ *
0
0
0
К
0
0
-
+
+*
0
0
0
UH
0
0
-
+
+*
0
0
0
к
0
0
-
+
+*
0
0
0
Примечания: 1. Знак "+" означает, что увеличение или уменьшение данного параметра способствует увеличению или
уменьшению соответствующего параметра качества детали.
2. Знак "-" означает, что увеличение или уменьшение данного параметра способствует уменьшению или
увеличению соответствующего параметра качества детали.
3. Знак "0" означает, что изменение данного параметра практически не влияет на соответствующий
параметр качества детали.
4. Знак "*" означает, что данный параметр оказывает основное влияние на соответствующий параметр
качества детали.
5.2. Взаимосвязь параметров качества поверхностного слое деталей машин
с условиями их алмазно-абразивной обработки
Параметр
Круговая или линейная скорость
детали уд
Подача я
Глубина резания 1
Число выхаживаний N
Зернистость
Концентрация
Молекулярное сродство
материала зерен с материалом
заготовки
Правка круга
Жесткость технологической
системы ./спид
Предел текучести материала
заготовки от

Точность
-
_
_ф
+*
+
+
-
+
+*
-
Нтах
+
+
+*
_*
-
_
+
-
_*
+
Wz
+
+
+*
_*
-
+
+
_*
—*
+
Sm„.
+
+
+* »
_+
+
-г
+
_*
_*
+
Ra
+
+*
..,+ *
_*
+ *
—*
-
_+
-
-
Rp
+
+*
.+*--
■л
+ *
__+
-
_*
-
-
Sm
+
+*
. -+*
_*
+*
_+
-
_*
0
0
s
+
+*
+*
_*
+*
_*
-
_*
0
-
°ост
+
+
+ *
-
+ *
+
+
_+
+
-
*.
+
+
+ *
-
+ *
+
+
_+
+
-
"н
+
. +
+*
-
+*
+■
+
_+
+
_*
к
+
+
+*
-
+*
+
+
_*
+
_*

оо
о
Параметр
Неравномерная твердость
заготовки ДНВ
соте
Точность станка
Исходные параметры
заготовки:
точность
волнистость
шероховатость
степень наклепа

Точность
-
+
+♦
+*
0
Нтах
+
-
_*
_*
+
0
+*
Wz
+-
-
_*
+ *
+
Sm„,
+
-
_*
+ *
+
+
Ra
+
-
-
0
0
Rp
+
- ■
-
0
0
+
0
Sm
0
-
-
0
0
+
6
S-
0
-
—
0
0
0
0
°OCT
0
+*
0
0
0
0
*•
к
0
+*
0
0
0
0
+*
1
"н
0
+*
0
0
0
0
+*
к
0
++
0
0
0
0
+»
См. примечание к табл. 5.1.
5.3. Взаимосвязь параметров качества поверхностного слоя деталей машин
с условиями их отделочно-упрочияющей обработки ППД
Параметр
1
Скорость v
Подача s
Рабочая нагрузка Р
Число рабочих ходов
Радиус рабочего шарика и индентора R
Диаметр рабочего ролика D
Профильный радиус ролика г
Задний угол вдавливания <р0
Волнистость и эксцентриситет ролика
Шероховатость рабочей поверхности
инструмента
Молекулярное сродство материала
выглаживающего индентора с материалом
заготовки

Точность
2
0
0
+
+
0
0
0
0
-
0
-
Нтах
3
0
0
_+
_*
0
0
0
0
+
0
+
Wz
4
-
+
+*
_*
_+
-
_+
+*
+*
0
0
Sm„.
5
-
+
Ч/г
+*
_+
+*
+
+ *
_+
+ *
0
0
Ra
6
+
+*
+♦
_+
_*
-
_ф
+
+
+
+
Rp
7
+
+*
+ *
_*
-
-
_*
+
+
+
+
Sm
8
0
+ *
0
_*
0
0
0
0
0
-
+
s
9
0
+*
-
_+
0
0
0
0
0
-
+
°OCT
10
_*
_*
+ *
+ *
_*
-
_*
_+
-
0
-
К
п
_+
_+
+*
+*
+*
+
+*
+*
-
0
-
"н
12
_+
_*
+*
+*
_+
-
_*
_*
-
0
-
К
13
—*
_*
+*
+*
+*
+
+*
+*
-
0
-

точностью в наилучшей степени можно управлять при обработке
резанием;
волнистостью - при алмазно-абразивной и отделочно-упрочняющей
обработках;
параметрами шероховатости - при всех методах обработки;
физико-механическими свойствами поверхностного слоя - при
отделочно-упрочняющей обработке ППД.
При лезвийной обработке основное влияние оказывают: на точность
размеров и формы деталей - точность станка, жесткость технологической
системы и материал режущего инструмента; на волнистость - жесткость
системы и точность станка; на параметры шероховатости - подача (при
s > 0,1 мм/об); на физико-механические свойства - СОТС, геометрия
режущей части инструмента и режимы (последовательность перечисления
условий обработки определяется уменьшением степени их влияния).
При алмазно-абразивнрй обработке оказывает влияние: на точность
размеров и формы деталей^- точность станка, жесткость технологической
системы, глубина резания и число выхаживаний; на волнистость -
жесткость технологической системы, точность станка, число
выхаживаний; на шероховатость -зе2нистость, число выхаживаний, концентрация
и подача; на физико-мёханические свойства - глубина резания,
зернистость и СОТС.
При отделочно-упрочняющей обработке ППД точность размеров и
формы деталей зависят в основном от исходного значения, частично от
рабочего усилия, числа рабочих ходов и предела текучести
обрабатываемого материала; волнистость, кроме перечисленных факторов, зависит
от формы рабочего инструмента; шероховатость - от ее исходного
значения, рабочего давления, подачи и предела текучести
обрабатываемого материала. Анализ табл. 5.3 показывает, что при ОУО ППД в
наибольшей мере можно управлять физико-механическими свойствами,
которые значительно зависят от рабочего давления, числа рабочих ходов,
подачи, формы инструмента, предела текучести обрабатываемого
материала и СОТС.

Глава 6
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Многообразие механических методов обработки [1,3, 4, 8, 10, 15, 16,
18, 22, 26, 27, 28, 36, 37, 38, 40, 49, 51, 55, 61, 62, 67, 71, 72, 75, 80, 81, 83,
85,92,94, 95,96, 110, 111, 112], станков [22, 66, 83, 84], инструментов [1,
2,4, 10, 22, 23, 27, 33, 62, 67] и материалов для их изготовления [1, 5, 14,
21, 28, 29, 33] предоставляет технологам широкие возможности в
обеспечении требуемых параметров качества поверхностного слоя
обрабатываемых деталей машин, определяющих эксплуатационные
свойства.
В гл. 6 приведены результаты экспериментальных исследований по
установлению взаимосвязи параметров состояния плоских и
цилиндрических (наружных и внутренних), зубчатых и резьбовых поверхностей
деталей машин из различных материалов с условиями их механической
обработки.
6.1. ПЛОСКИЕ ПОВЕРХНОСТИ
Как при назначении параметров состояния контактирующих
поверхностей деталей машин, так и при разработке технологического
процесса их обработки необходимо знать возможности технологических
методов по обеспечению этих параметров. Обобщенные данные для
плоских поверхностей деталей машин из конструкционных сталей при
механических методах их обработки приведены в табл. 6.1.
Экспериментальные исследования показали довольно тесную
корреляционную связь между собой высотных параметров
шероховатости Ra, Rz и Rmax, поэтому в таблице приведен только один из них, через
который можно определить два других параметра:
а) при плосковершинной и отделочно-упрочняющей обработке
Rmax = 5,0Ra, (6.1)
184
стного слоя детали
онх
повер
ства
и
у
я
араметры к
С
j Rp, мкм
2
| Ra, мк
_______
2
2
i
Z, МКМ
£
я
X
2" 2
X 2
= О
Я8
Е
Я
S
(-1
s
5
х
я
5
\п
бра!
о
етод
2
рова-
U
ет
о
О.
■е-
и
о
ю
о
а
о.
о
г-
—
0-50,0
:0-16,0
ВО-4,0
2 «о
Я. о Я
_■■»-"
°. О >П
2 ■* <Ч
7 i JJ
•А °° °ч
о е£.
«ОПТ
CJ.7-»
со _ .<*
—* о
<N ^! _
100—
50-1
20-
■* _
т-т
Al±
и aj
О о
со со и
О о Р
X Н *
о. Б я
u s о
У У 1-
и
X
е фре-
о
Ь!
1 дричес
±
5
5
х
Э
<s
,0-30,0
5-12,5
63-3,2
2 «so
<= <S *
3,2-10
0,8-3,
0,20-1
Я. о Я
5-12
,8-8,
25-2
N° о"
,5-60,0
0-16,0
80-8,0
_ <ч*о"
1°2
ГП Г—
120-
60-1
25-
■t _
— оо
1 ^ 1
_ _, *
4> о
О о
,. со m u
2 о о о
5 х н х
S о- " х
Я о _ о
g у т н
о
й-
1>
,0-125
,2-20
0-5,0
CfO _
°. m ~°_
6,4-40
1,0-6,
0,32-1
Я. о -л
2 оо «S*
:.A«U
<s"° °
12,5-40,0
3,0-16,0
0,32-10,0
<S _■ v-i
100-
40-1
15-
!
•* _
— _ оо
1 1 1
<N J, _
ii u о
x О о
X 00 0) «J
я о о о
U X Н X
о а. и х
р. и - о
к у у ь
о
ел
,0-100
,0-20
,0-5,0
— *<t —
N9*
б,4-з;
1,6-6,
0,32-1
Чот
_ <лЫ
_<и
^--о
0-24,0
5-10,0
,8-3,0
оо" <s" °
М " "Л
110-
50-1
15-
Щ
12-1
9-11
6-8
S.
X
о
У
о
Н 4) U
О О О
О СО m О
Й о о Й
о х н х
_ р, о х
O.ST s о
О У У Н
н
тг
0-12,0
,0-5,0
25-1,0
,5-6,3
vf —' о" °
о^.Р!^
1,6-4,
. 0,32-1
0,08-0,
0,32-2
IO «П «О Я
fl" cs" —" О
ООО.Л^
_оо0-
0-12,5
,6-5,0
63-2,0
0-16,0
v-T —' о" <s"
25-120
16-40
6-25
20-100
Os Г— SO ОО
оо \о *о чо
1ное.
Ж
S
« 3
Я rv
I и и <и
Й О О *
_ л ш и о
о о о о х
•&• X Н ЬЙ О
§ 8* X о =1
Д т з- н _
wS
185

S№~ „--^S..-
OO
0\
Метод обработки
6, Протягивание:
черновое
чистовое
7. Шабрение:
черновое
чистовое
тонкое
8. Накатывание
роликами и шариковыми
головками:
черновое
чистовое
9. Вибронакатывание
10.
Суперфиниширование и полирование:
обычное
плосковершинное
11. Притирка:
обычная
плосковершинная
;
Квалитет
7-8
5-6
7-8
5-6
4-5
8-10
5-7
5-10
5-6
6-8
4-6
5-7
Нтах, мкм, на
1000 мм
20-60
5-30
20-50
10-30
5-20
40-120
15-60
20-120
6-50
20-100
4-10
10-50
Параметры качества поверхностного слоя детали
Wz, мкм
1,25-4,0
0,40-2,5
12,5-20,0
3,0-16,0
1,6-5,0
5,0-20
1,25-6,0
1,25-4,0
0,3-6,0
1,6-16,0
0,4-0,8
0,6-1,6
Sm„, мм
1,0-3,2
0,8-1,5
6,0-10,0
4,(Ь8,0
3,0-6,0
1,5-8,0
0,8-2,0
0,25-15,0
0,25-2,5
0,08-8,0
0,3-1,5
0,3-1,5
Ra, мкм
1,0-3,2
0,32-1,25
2,5-8,0
0,63-2,5
0,10-0,8
0,63-2,5
0,1-0,83
0,16-2,5
0,05-0,32
0,1-1,25
0,02-0,1
0,02-0,4
————.—
Rp, мкм
2,5-10,0
0,8-4,0
6,3-32
2,0-8,0
0,25-2,5
1,5-10,0
0,2-2,0
0,25-10,0
0,125-1,25
0,16-3,2
0,04-0,32
0,032-1,0
оо
Метод
обработки
1. Торцовое
фрезерование:
черновое
чистовое
тонкое
2.
Цилиндрическое
фрезерование:
черновое
чистовое
тонкое
3. Строгание:
черновое
чистовое
тонкое
4. Торцовое
точение:
черновое
чистовое
тонкое
5. Шлифование:
черновое
чистовое
тонкое

плосковершинное
6. Протягивание:
черновое
чистовое

Квалитет
12-14
9-11
6-8
12-14
9-11
6-8
12-14
9-11
6-8
12-13
9-11
6-8
8-9
6-7
5-6
6-8
7-8
5-6
Параметры качества поверхностного слоя детали
Sm, мм
0,16-0,50
0,08-0,20
0,025-0,10
1,25-5,0
0,50-2,0
0,16-0,63
0,20-1,6
0,08-0,25
0,025-0,125
0,2-1,25
0,08-0,25
0,025-0,125
0,10-0,32
0,025-0,125
0,01-0,032
0,25-5,0
0,16-2,0
0,05-0,50
S, мм
0,16-0,50
0,063-0,20
0,016-0,08
1,25-5,0
0,32-2,0
0,10-0,63
0,20-1,6
0,063-0,25
0,0125-0,10
0,2-1,25
0,063-0,25
0,0125-0,10
0,063-0,25
0,0125-0,08
0,005-0,025
0,008-0,20
0,125-2,0
0,032-0,50
оосг, МПа
250-300
200-250
100-200
300-350
и/г 200-30©-- -
100-200
250-350
200-250
150-200
200-300
150-200
100-150
200-400
300-400
200-500
100-200
300-350
200-300
А0, мм
0,1-0,2
0,1-0,2
0,05-0,10
0,015-0,25
0,10-0,20
0,06-0,15
0,15-0,22
0,10-0,15
0,06-0,11
0,10-0,18
0,06-0,12
0,04-0,1
0,15-0,20
0,1-0,18
0,06-0,12
0,05-0,10
0,2-0,3
0,1-0,2
"н. %
20-30
10-40
0-20
10-30
0-40
10-20
20-40
10-30
10-20
10-40
10-30
0,20
10-40
10-30
0-20
0-10
10-30
10-20
Ан, мм
0,2-0,5
0,08-0,15
0,05-0,10
0,15-0,25
0,1-0,15
0,08-0,12
0,25-0,6
0,15-0,30
0,05-0,15
0,2-0,45
0,05-0,20
0,02-0,05
0,03-0,05
0,015-0,03
0,01-0,02
0,01-0,015
0,2-0,6
0,1-0,3

Метод
обработки
7. Шабрение:
черновое
чистовое
тонкое
8. Накатывание
роликами и
шариковыми
головками:
черновое
чистовое
9.
Вибронакатывание
10.
Суперфиниширование и
полирование:
обычное

плосковершинное
11. Притирка:
обычная

плосковершинная
Квали-
тет
7-8
5-6
4-5
8-10
5-7
5-10
5-6
6-8
4-6
5-7
Параметры качества поверхностного слоя детали
Sm, мм
0,25-1,0
0.063-0,25
• 0,02-0,10
0,2-5,0
0,025-0,25
0,025-12,5
0,01-0,032
0,025-1,6
0,008-0,04
0,02-0,25
S, мм
0,125-1,0
0,032-0,20
0,008-0,05
0,2-5,0
0,02-0,25
0,02-5,0
0,04-0,025
0,006-0,040
0,004-0,032
0,008-0,25
"ост. МПа
100-200
60-150
60-120
200-450
100-300
100-400
100-200
100-110
100-250
100-150
ha, мм
0,05-0,12
0,05-0,10
0,04-0,08
0,4-1,5
0,2-0,5
0,2-1,5
0,06-0,08
0,04-0,06
0,06-0,08
0,04-0,06
и„, %
0-20
0-10
0-10
30-70
20-60
10-60
0-20
0-10
0-20
0-10
Ан, мм
0,05-0,1
0,05-0,1
0,04-0,1
0,5-4,0
0,2-0,6
0,04-2,0
0,005-0,01
0,005-0,01
0,005-0,01
0,005-0,008
Примечания: 1. Данные относятся к деталям из конструкционных сталей;
2. Для деталей из чугуна параметры шероховатости Ra, Rz можно принимать в 1,5 раза больше
табличных;
3. Характеристики физико-механических свойств для деталей из чугуна следует принимать в 1,5 раза
меньше табличных.
О
ч
X
S
•< Я X
С а о
Э о ч .^
О о О £3
« 54 I»
s s -tr х
» х s х
р! <> О t»
- х <» а
х & я
о к ?
ч g I
8* ч 8
С\ г» Я W
х й о о
о £ а и
!ai§
с J я
X
уь. о
ta1^ к
и m ■
so
s
2
re
ч
в*
Е ч
S
X
•в* о
2 ч
S'
X п
Я i
SIS?
С Ж) S п
в" О о
о
X
х
2 "О
» ч
W я
О" Г
О X
N<
5
О о
о
S
ч
о
to
о»
Т5
■о
а
$
ю
In
00
3
3
90
•а
•о
Ц
в-
ON
ON
О
ON
ON
bo
ON
N
Xn
90
4
"o
J*
о
<r
X
er
X
s
ft
4
о
to
о
ts
о
o>
p»
a\
о
4
N
■90
3
x
"о
р>
о>
•в-
чз
о
ы
a
•О
О
ш
№
X
S
JB
о
4
О
1
6S
X
X
ю
X
ч
о
Л
п
X
X
so
о
в»
on
on
ON
in
ON
ON
ON

параметрами состояния обрабатываемых поверхностей. Теоретические
зависимости, отражающие эту связь, для некоторых методов обработки
приведены в гл. 5.
Ниже приведены эмпирические зависимости для расчета параметров
состояния плоских поверхностей деталей машин при механических
методах их обработки.
Торцовое фрезерование {сталь ШХ15):
Ra = 4830
v;p2v>vv
1,15
S,
Vfo>
Строгание (сталь ШХ15):
Торцовое точение (сталь ШХ15):
Wz = 1,6 мкм.
(6.12)
Rp = 8730- '-; if. \x\
vl,« 0,24v0,6j' <°-1JJ
1.011 0,46 Т 0,16 v0,54
Wz = 5500- 1—. (6.14)
.1,93 „0,27
Ra = 37,3 ——I ; ((. \s)
y 0.11, 0,12,. 0,8' V}l->)
с 2.04 0,15
Rp = 131,42——* ; (в 16)
y 0,13 ,0,2 ,.0,76' {p.lO)
.0,38,0,9.0,35
Wz = 9li—l—L—. (6ll)
v 0,97 0,15 1У-Ч)
Ra = 10,88 / ; (6.18)
Rp = 58,8^Л—; (6.19)
190
В этих уравнениях sz - подача на зуб (0,06...0,5) мм; s - подача на
двойной ход (0,25...0,5 мм на двойной ход); s0 - подача на оборот
(0,1 ...0,5 мм/об); Уф - скорость резания при фрезеровании (18...44 м/мин);
v - скорость резания при строгании (5,6...22 м/мин); г - глубина резания
(0,3... 1,8 мм); г - радиус при вершине резца (0,5...2 мм); у - передний угол
резца (5...20°).
Чистовое шлифование (сталь ШХ15):
г0,48у0.27^
Ra = 0,27 " "оп; (6.20)
20,46у0.34 0,12
Rp = 2,28 —SS ; (6.21)
I л0'13
«
»
2 0,27 s 1.09,0.37
Wz = 0,5 ; (6.22)
.,0.12^0.91^0,32
wzm = l.o ——, (бгз")
ст "
где 2 - зернистость круга (46...100); vCT - скорость перемещения стола
станка (0,021...0,17 м/с); snon - поперечная подача стола (3...6 мм/ход); f -
глубина шлифования (0,01...0,04 мм); л- число выхаживаний (1...5).
Данные уравнения получены для следующих условий правки
абразивного круга: алмаз с R = 2 мм; подача s = 0,3 мм/об.
В зависимости от условий шлифования наибольшая волнистость
может наблюдаться в поперечном или продольном направлении.
Поэтому ее необходимо вычислить по формулам (6.22) и (6.23) и взять
наибольшее значение.
Отделочное шлифование абразивными и алмазными кругами:
,,?*'*,A£*V\ (6.24)
где b характеризует твердость связки абразивного круга; если твердость
связки С2, то Ъ - 2, если СМ2, то b = 1.
Значения коэффициентов с, &,, к2, /с3, &4, 'к0 при шлифовании
абразивными и алмазными кругами приведены в табл. 6.2.
191

.я. В
■¥ 3
I
tj
-«

Исследуемый
параметр yt

Шлифовальный
круг
Марка
обрабатываемой
стали
-0,42
0,06
0,87
Г- — N
о_—i —
о" о" о
1 1 1
Tf (S (N
1П *© <N
Ф о" о"
"**,. "1 о
о о 0-
чЛ гЧ \0
О О О
о о о
о-оТ
са о. с
tt! OS от

Абразивный
о о о
-0,15
0,06
-0,01
_~ v£> Г-
~ т сч
о сГс,-
—. ГЧ —
ГЧ •* О
о" о" о"
оо so m
о — r~
_" —' о*
r-gT
°-о2
° о'ч-
я о. Ё
вй Ы. и
Алмазный
20Х
(HRC 54-60)
-0,16
-0,25
0,03
чо *л м
°. °.—-
о" о" о"
t— ■» •*
"" ~" °.
о" о" о*
г~ ГЧ ЧЭ
ГЧ ГЧ —
о" о" о"
0,08
-0,02
0,22
0,17
1,3
0,028
os в: и

Абразивный
о о о
о о о_
о" о' о"
1 1 1
0,01
0,01
-0,01
5 5°
o'o'f
— — ГЧ
о о о
о" о" о*
о _-о
OJ ой от
Алмазный
12ХНЗА
(HRC 60-64)
192
Уравнение (6.24) адекватно описывает процесс шлифования при г -
46...100; vCT = 0,021...0,17 m/c;j = 3...6 мм/ход; t = 0,01.-0,04 мм.
Накатывание торцовыми головками:
Ra = *^M: (625)
р^п 4v '
Rp=*«.^¥f: (626)
/>%| 'V*'
Wz = fc°7^; (6.27)
Wp = "»"P'~J'»; (628)
,*■/■
*&*>
Hk» = 10*« Pt Я* t' (629)
где ^p - продольная подача (13...42 мм/мин на один шар);/? - удельная
нагрузка (200...600 МПа); и - число проходов (1...3); v - окружная
скорость шариковой головки (при D = 90 мм, v = 14...70 м/мин).
Значения коэффициентов k0-k5 приведены в табл. 6.3.
Вибронакатывание
(6.30)
(6.31)
(6.32)
Ra
Rp
Wz
_ k RP-C
- k Wz^'
° P^'
№

J
I
о
в
s
X
■^ о '
en" OO '
Г- so —
— "* o°
rrC >-" f~
02;
— ^г OS
2S!
n-> so О
сч" ■©" чэ"
ONP1
— — rs
CJ U
QCCC
- EX
г. о о
U 4fr <«fr
СЧ СЧ
CI Tf
СЧ ^^
СЧ СЧ
il
UU
ой ой
-r XX
СП 4»
uu
Oil*
3-XX
u?§
СЧ ГЧ
СП "^-
СП 43.
UU
eioi
„XX
fsj WW
s- X X
Г, о о
s
0.
H
к
с.
X
о
с
м
Й
*
о.
N
О.
194
Wp
Wp,
мех^пр ,
к, к,
р "л '
(6.33)
Hb = fc0
р 'и <
ROnp
(6.34)
Значения коэффициентов к0 - &4 для исследуемых параметров
состояния поверхностного слоя деталей машин из различных материалов
приведены в табл. 6.4.
Эти уравнения адекватно описывают процесс вибронакатывания
плоских поверхностей деталей при: sn = 200...600 /мин; р =
- 200...600 МПа; п = 1 ...3 и RaHCX = 0,5... 1,6 мкм.
6.4. Значения коэффициентов к0-к4 для характеристик
качества; вибронакатанных поверхностей
t
Характеристика
качества
поверхностей
Ra
Rp
Wz
Wp
Hfc
Исследуемый
материал
СЧ 21-40
40Х (HRC 30-32)
40Х (HRC 40-42)
СЧ 21-40
40X (HRC 30-32)
40X (HRC 40-42)
СЧ 21-40
40 X (HRC 30-32)
40X (HRC 40-42)
СЧ 21-40
40X (HRC 30-32)
• 40X (HRC 40-42)
СЧ 21-40
40X (HRC 30-32)
40X (HRC 40-42)
*o
8,7
6,6
7,0
0,6
1,8
8,5
0,30
0,34
53,0
3103
6103
7,0
18,2
155,3
288,8
*l
1,013
0,871
0,901
0,904
0,819
0,922
0,675
0,690
0,787
0,677
0,733
0,881
-0,073
0,026
0,000
'*2
0,717
0,987
0,819
0,783
0,897
1,025
0,733
-0,753
0,980
1,501
-1,459
0,686
0,454
0,262
0,200
*3
-0,289
0,230
0,166
0,406
0,411
0,240
-0,013
0,140
0,074
0,100
-0,131
0,092
0,169
0,035
0,021
*4
0,190
0,087
0,090
0,163
0,139
0,102
0,029
-0,130
0,050
0,047
-0,201
0,053
0,129
0,009
0,006
6.2. НАРУЖНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ ВРАЩЕНИЯ
Значения параметров состояния наружных поверхностей вращения
деталей машин из конструкционных сталей для различных методов их
обработки приведены в табл. 6.5. {
195

6.5. Возможности методов обработки в обеспечении точности размеров
и параметров состояния наружных поверхностей вращения деталей машин
Метод
обработки
Обтачивание:
черновое

получистовое
чистовое
Шлифование:
черновое
чистовое
тонкое

плосковершинное

Суперфиниширование:
обычное

плосковершинное
Полирование:
обычное

плосковершинное
Притирка:
обычная

плосковершинная
Обкатывание:
черновое
чистовое
Выглаживание

Вибронакатывание

Электромеханическая

Магнитно-абразивная
Ква-
литет
12-14
10-12
8-19
8-9
6-7
5-6
6-8
4-6
6-8
5-6
6-8
4-6
5-7
8-Ю
5-7
5-9
5-9
.5-7
5-9
Параметры состояния поверхностного слоя детали
Нтах, мкм,
1000 мм
160-500
80-200
40-100
25-100
10-40
6-20
10-100
5-20
20-80
6-40
30-100
4-15
15-60
24-100
6-40
6-80
6-100
6-40
6-70
Wz, мкм
6,25-13,0
3,2-10,0
1,6-4,0
3,2-10,0
0,5-4,0
0,16-0,8
0,5-10,0
0,08-0,5
0,75-2,5
0,16-0,75
0,4-0,9
0,08-0,1
0,4-0,8
2,5-12,5
0,4-2,5
0,4-10,0
0,5-13,2
0,4-0,8
0,5-12,5
Sm,,,, мм-
2,5-10,0
0,12-8,0
0,8-8,0
0,8-4,0
0,4-1,5
0,25-0,6
0,8-8,0
0,25-1,5
0,8-8,0
0,4-1,5
0,8-8,0
0,25-1 ',5
0,25-2,5
0,8-8,0
0,3-6,0
0,3-8,0
0,25-15,0
0,3-0,8
0,4-8,0
Ra, мкм
12-4.0
2,0-16
0,8-2,5
1,0-2,5
0,2-1,25
0,05-0,25
0,32-2,5
0,032-0,25
0,25-2,0
0,008-0,08
0,10-0,80
0,01-0,10
0,10-0,80
0,8-2,5
0,05-1,00
0,05-2,0
0,063-1,6
0,02-1,6
0,02-1,6
Rp, мкм
32-120
5,0-50
2,0-8,0
2,5-10,0
0,5-4,0
0,125-0,8
0,5-3,2
0,08-0,8
0,32-2,5
0,016-0,16
0,125-1,0
0,02-0,25
0,10-1,25
1,5-6,3
0,063-2,0
0,063-6,0
0,08-5,0
0,2-3,2
0,04-5,0
196
Метод
обработки
Обтачивание:
черновое

получистовое
чистовое
Шлифование:
черновое
чистовое
тонкое
плоско-
вершинное
Суперфиниш
ирование:
обычное

плосковершинное
Полирование:
обычное

плосковершинное
Притирка:
обычная

плосковершинная
Обкатывание:
черновое
чистовое

Выглаживание

Вибронакатывание

Электромеханическая

Магнитно-абразивная
Параметры состояния поверхностного слоя детали
Sm, мм
0,32-1,25
0,16-0,40
0,08-0,16
0,63-0,2
0,025-0,1
0,008-0,025
0,063-1,25
0,006-0,02
0,05-1,25
0,008-0,025
0,032-0,20
0,006-0,04
0,032-0,2
0,2-1,25
0,025-0,2
0,025-1,25
0,01-10,5
0,025-1,25
0,008-1,25
S, мм
0,32-1,25
0,12-0,40
0,05-0,16
0,032-0,16
0,01-0,08
0,003-0,016
0,008-0,16
*
|
1
(
0,003-0,016
Q.006—0,16
Si
0,002-0,008
0,016-0,20
0,002-0,032
0,032-0,2
0,2-1,25
0,025-0,2
0,025-1,25
0,008-0,8
0,025-1,25
0,003-1,0
±О0СТ.
МПа
200-300
150-250
150-200
200-400
300-400
200-500
100-200
150-200
100-150
100-400
100-200
150-250
100-200
200-500
100-400
100-400
100-450
200-400
200-600
А0, мм
0,10-0,20
0,08-0,15
0,6-0,12
0,15-0,25
0,10-0,20
0,08-0,15
0,006-0,12
0,06-0,12
0,05-0,10
0,03-0,10
0,02-0,05
0,054), 10
0,02-0,05
0,5-2,0
0,2-0,8
0,2-1,5
0,15-1,5
0,1-1,5
0,005-0,010
«н,%
10-50
10-40
20-40
10-40
10-30
0-20
0-10
0-20
0-10
0-20
0-10
0-20
0-10
30-80
20-70
20-70
10-70
40-80
0-10
Ан, мм
0,2-0,5
0,15-0,30
0,05-0,20
0,05-0,08
0,02-0,05
0,01-0,02
0,01-0,015
0,02-0,06
0,01-0,02
0,01-0,02
0,005-0,01
0,005-0,01
0,005-0,008
0,8-5,0
0,3-2,0
0,3-3,0
0,1-3,0
0,05-1,5
0,01-0,03
Примечания см. к табл. 6.1.
197

Корреляционная связь между параметрами шероховатости Ra, Rz и
Rmax имеет следующий характер.
Для полирования, притирки плосковершинных и отделочно-
упрочняюших методов обработки:
Rmax = 5,0 Ra; (6.35)
Rz = 4,0 Ra. (6.36)
Для обтачивания и магнитно-абразивной обработки:
Rmax = 6,0Ra; (6.37)
Rz = 5,0Ra. (6.38)
Для шлифования и суперфиниша:
Rmax = 7,0Ra; (6.39)
Rz = 5,5 Ra. (6.40)
Параметр tm имеет следующие значения:
при полировании, притирке плосковершинной и отделочно-
упрочняющей обработки 60...70 %;
при магнитно-абразивной обработке, шлифовании и суперфинише.
50 %;
при обтачивании 40...45 %.
Эмпирические уравнения параметров состояния наружных
поверхностей вращения с условиями их обработки для некоторых технологических
методов имеют следующий характер.
Получистовое и чистовое точение:
Ra = fe/*'(f+y tMKMl- (6.41)
где 5 - подача (0,05...0,43 мм/об); г - радиус при вершине резца (0,5...2 м);
v - скорость резания (0,47... 1,2 м/с); у - передний угол резца (4...40°).
Значения коэффициентов kQ - &4 для различных обрабатываемых
сталей приведены в табл. 6.6.
Результаты экспериментальных исследований показали, что наряду
с режимами и геометрией инструмента значительное влияние на
шероховатость поверхности оказывает жесткость оборудования, на
198
6.6. Значения коэффициентов в уравнении (6.41)
Марка
стали
СтЗ
20
45
70
А-0
0,01
41,8
7,0
5,8
*1
0,65
0,75
0,85
1,1
*2
0,6
0,55
0,65
0,68
*3
0,5
1,38
0,36
0,15
*4
1,9
0,25
0,15
0,16
котором обрабатывается деталь. Так, при обтачивании деталей из стали
40Х получены следующие уравнения с учетом статической жесткости
оборудования ,
«
у,- V*'^'*J'*450 + y)k>*k'£ (6.42)
где v - скорость резания ф,83...2,5 м/с); s - подача (0,05...0,5 мм/об); / -
глубина резания (0,15...0,9«мм); г - радиус при вершине резца (0,5...2 мм);
у - передний угол резца (4...40°); а - задний угол резца (3...70°);УСТ -
статическая жесткость станка по ГОСТ 7895-86 (19,6...34,3 кН/мм).
Значения коэффициентов к0 - ку для различных параметров состояния
поверхностного слоя деталей приведены в табл. 6.7.
6.7. Значения коэффициентов формулы (6.42)
Исследуемый
параметр yt
Ra, мкм
Rp, мкм
Sm,мкм
Wz, мкм
Wp, мкм
Smtt., мм
Н^, МПа
*0
416,6
1158,6
1,79
1,55
16,6
1,59
1636
*|
-0,45
-0,32
20,18
-0,5
-0,55
0,47
0,084
*2
0,36
0,1
0,58
0,24
0,15
0,27
0,005
*Я
-0,1
-0,07
-0,25
-0,25
-0,12
0,04
0,09
*4
0,12
-0,04
0,15
0,21
0,18
0,05
0,08
*5
0,005
0,035
0,21
0,07
0,09
-0,08
-0,064
*б
-0,10
-0,15
0
0,26
0,33
-0,44
0,069
*7
-0,22
-0,36
-0,31
0,33
0,04
0,1
0,11
199

Тонкое (алмазное) точение:
Ra-V^90*^;
(6.43)
щ = ка1Ит^
к. к,
(6.44)
Sm
к л'1 (90 * У)*'
Г *'У*'
(6.45)
Значения коэффициентов, входящих в эти уравнения, приведены в
табл. 6.8. Уравнения адекватно описывают процесс точения при
следующем диапазоне изменения входных факторов: s = 0,05...0,5 мм/об;
v = 0,83...2,5 м/с; t = 0,5...2 мм; у = 4...40°.
6.8. Значения коэффициентов формул (6.43)~(6.45)
Марка
обрабатываемого
материала
Сталь 45 (HRC 48)
Сталь У10А(НЯС 62)
СНГТ
ВК15
Высокопрочный чугун
Параметр
шероховатости
Ra
Rp
Sm
Ra
Rp
Sm
Ra
Rp
Sm
Ra
Rp
Sm
Ra
Rp
Sm
*0
0,16
0,82
0,81
0,68
0,77
0,74
0,43
0,65
0,96
0,39
0,59
0,68
6,0
8,36
0,063
'*.
0,59
0,59
1,34
0,77
0,75
1,2
0,54
0,69
0,96
0,64
0,78
1,32
0,28
0,24
0,01
*2
0,29
0,33
-0,19
0,28
0,24
0,12
0,19
0,29
0,32
0,33
0,31
0,21
0,2
0,2
0,03
*3
0,19
0,08
0
0,24
0,09
0
0,33
0,07
0
0,19
0,14
0
0,21
0,12
-0,04
*4
0,66
0,52
0,1
0,56
0,62
0,08
0,49
0,47
0,22
0,44
0,76
0,19
0
0
0
Примечание. Параметры Ra, Rp- в мкм; Sm- в мм.
200
Шлифование (40Х, HRC 30-35):
, к, к, к, kktJk. k,.k,
(6.46)
где v - окружная скорость детали (v = 0,33...0,83 м/с); sn - продольная
подача, в долях ширины круга (0,35...0,85); s - радиальная подача
(0,01...0,05 мм/дв.ход); п - число выхаживаний (5...10); Я- твердость
круга (СТ2; СМ1); г - зернистость круга (16...40);^ - статическая
жесткость станка (9,8...29,4 мН/м).
Значения коэффициентов к0 - кп приведены в табл. 6.9.
Алмазное суперфиниширование после предварительной термообработки
ТВЧ и прерывистого шлифования (сталь 45 и 40Х)
Ra = 11-Ю7
0,19 0,05 0,58 0,22
SP№iSpitn\Spw2z6 Рб
k^iHRQ^N^N^t^n^n^'
(6.47)
Rp = 4,25-104
к 0.1* 0.4
^^(HRC)2-82//,014^0'17/0"^003'
(6.48)
Sm = 17-Ю3
^(HRC)"8^3
0,07 i/0.'1,,0'04 '
kuN^'N-
(6.49)
6.9. Значения коэффициентов формулы (6.46)
Исследуемый
параметр
Ra, мкм
Rp, мкм
Sm, мкм
Wz, мкм
Wp, мкм
Sm,,,, мм
R , МПа
*о
0,47
1,08
0,02
4,3
0,70
0,14
2253
*1
-0,06
-0,02
-0,22
0,006
-0,06
-0,027
0,03
*?
0,36
0,16
0,34
0,25
0,46
0,36
-0,04
*3
-0,009
0,033
-0,15
0,08
-0,01
-0,12
0,003
*4
-0,024
0,008
0,04
-0,06
-0,064
-0,060
0,02
*1
0,29
0,71
0,24
0,51
0,54
0,40
0,008
*«
0,08
0,033
0,055
0,087
0,173
0,184
0,020
*7
0,34
0,24
0,13
-0,25
-0,07
0,096
-0,01
201

где s
Wl
радиальная подача при получистовом шлифовании
(0,065!Ж015 мм/об); s 2 - радиальная подача при чистовом
шлифовании (0,003...0,013 мм/об); z6 - зернистость алмазного бруска АСМ
(20...40);/7б-давление бруска (200...500кПа);НКС -твердость
обрабатываемого материала (HRC 48...60); NxviN2- число впадин прерывистого
круга при получистовом и чистовом шлифовании (12-13); L - припуск
на суперфиниш (5...35 мкм); пб - скорость осцилляции бруска (17-30 Гц);
п3 - скорость вращения заготовки (0,63...3,17 об/с); км - коэффициент,
зависящий от марки обрабатываемого материала; кя - коэффициент,
зависящий от концентрации алмазов в суперфинишных брусках; кс -
коэффициент, зависящий от метода подачи СОЖ при
суперфинишировании.
Значения коэффициентов км, ка, кс приведены в табл. 6.10. Значения
некоторых параметров шероховатости при суперфинишировании сталей
ШХ15 и 30X13 брусками из эльбора, на оптимальных режимах (частота
колебания брусков/= 2800 дв. ход./мин; амплитуда колебаний брусков
А = 3 мм; давление брусковр6 = 0,2 МПа; скорость вращения детали уд =
= 0,53 м/с, продольная подача ,упр = 0,011 м/с приведены в табл. 6.11.
Полирование конечными лентами
Ra = ka
Rp = fc0
pk'\k,Tks
Sm =
k0+^R&Ha+kjZ+3p+kA\+k5T
6.10. Значения коэффициентов формул (6.47)-{6.49)
(6.50)
(6.51)
(6.52)

Исследуемый
параметр
Ra, мкм
Rp, мкм
Sm, мм
кы для стали
45
1,93
2,04
1,16
40Х
1,39
1,43
1,08
А'а для концентрации
алмазов
100
2,42
1,54
50
2,12
1,44
кс при подаче СОЖ
под
давлением
1,23
1,65
поливом
1,11
1,29
202
6.11. Параметры шероховатости поверхности деталей при суперфинишировании
Условия обработки
Связка
СОЖ

Зернистость
брусков
Время

обработки,
мин
Параметры шероховатости
Ra,
мкм
Rmax,
мкм
Rp,
мкм
Sm,
мм
Сталь ШХ15

Металлическая

Металлическая
Бакелитовая
Бакелитовая
Жидкость
ПТОБ
Керосин
80 % и
веретенное
масло 20%
Керосин
80 % и
веретенное
масло 20 %
Жидкость
ПТОБ
50/40
М29/20
М29/20
50/40
* М28/20
I М28/20
i
50/40
М28/20
50/40
М28/20
М28/20
5
2
5
5
2
5
5
5
5
2
5
0,32
0,057
0,025
0,22
0,062
0,043
0,057
0,05
0,05
0,04
0,032
2,2
0,32
0,12
1,4
0,48
0,33
0,42
0,33
0,26
0,17
0,11
1,10
0,18
0,068
0,62
0,20
0,11
0,16
0,095
0,15
0,10
0,084
0,023
0,076
0,015
0,015
0,007
0,008
0,09
0,010
0,010
0,019
0,019
Сталь 30X13

Металлическая
Бакелитовая

Металлическая
Бакелитовая
Керосин
80 % и
веретенное
масло 20%
Керосин
80 % и
веретенное
масло 20 %
Жидкость
ПТОБ
Жидкость
ПТОБ
50/40
М28/20
М28/20
50/40
М28/20
50/40
М28/20
М28/20
50/40
М28/20
М28/20
5
2
5
5
5
5
2
2,03
5
2
5
0,31
0,072
0,087
0,064
0,061
0,34
0,063
0,03
0,052
0,05
0,04
1,5
0,52
0,8
0,39
0,4
3,3
0,49
0,3
0,2
0,25
0,2
0,80
0,18
0,24
0,16
0,15
1,00
0,17
0,077
0,14
0,13
0,106
0,016
0,010
0,023
0,011
0,013
0,022
0,015
0,015
0,009
0,006
0,006
203

где RaHCX - исходное значение среднего арифметического отклонения
профиля шероховатости поверхности (0,32...0,80 мкм); г - зернистость
(63/50...80/63);р - давление (98...588 кПа); v - окружная скорость детали
(0,17...0,61 м/с); Т- время полирования (25...60 с).
Значения коэффициентов к0 - к5 приведены в табл. 6.12.
6.12. Значения коэффициентов при полировании конечными лентами
Параметр

шероховатости
Ra
Rz
Rp
Sm
*0
1,01*
0,49
1,07
3,4
0,45
2,31
56,3
34,8
* В числителе - для с
*1
0,81
1,17
0,75
1,8
0,52
1,14
-41,3
-28,4
тали 45, а в :
*2
-0,01
0,47
0,37
0,12
0,34
0,25
-0,15
0
шаменателе
*з
0,33
0,66
0,41
0,46
0,33
0,44
5,1 .
*4
0,1
"ЬТй
-0,01
0,34
0,11
0,25
0
0,81 0
-для стали 30ГСА.
*5
0,2
0,42
0,24
0,27
0,2
0,2
-0,17
0,18
Полирование титана ВТ-4 лентой АСО 50/40-Р9-100 % при RaHCX =
= 1,8 мкм, р - 39,2-104 Па и v = 0,61 м/с позволяет получить через 20 с
Ra = 0,13 мкм.
Значения параметров шероховатости при полировании бесконечными
лентами стали ШХ15 (HRC 58-62) с RaHCX = 0,8... 1,0 мкм, \л = 34 м/с, уд =
= 0,33 м/с,/? = 235 кПа, Т- 30 с приведены в табл. 6.13.
Зависимости получены применительно к доводочным станкам для
обработки калибров из стали У10А (HRC 60-65) [22]:
Ra = 0,14
Ra^0'79v°'\
„0.2
7-0,21
(6.53)
Rp = 0,08
R<;
0.22 0,72 „0,15 „0,06
T-0,15
(6.54)
204
6.13. Значение параметров шероховатости при полировании
бесконечными лентами
Марка ленты
АСО 80/630Р14
АСО 80/63-Р9
АСО 80/63-Р1
АСО 63/50-Р9
АСМ 40/28-Р9
KO80/63-PI4
КО 80/63-Р9
КО 80/63-Р1
39 (водостойкая)
АСО 80/63-Р9
АСМ 40/28-Р9
АСМ 40/29-Р9
АСМ 10/7-Р9
Параметры шероховатости
Ra, мкм
0,29
0,27
0,14
0,14
0,09
0,52
(0,46
'«,30
0,45
Л.27
0,03
0,012
0,011
Rp, мкм
1,12
0,90
0,39
0,42
0,21
1,40
1,26
1,39
1,20
0,90
0,07
0,036
0,030
Sm, мм
0,036
0,036
0,028
0,030
0,025
0,040
0,032
0,030
0,050
0,036
0,022
0,014
0,010
Sm = 0,07 — , (6 55)
z о,42 „0,077.0,2* Ф-^)
где а - угол атаки (10...24°); RaHCX - исходная шероховатость
(0,24...0,8 мкм); v - скорость притирки (0,67...2,5 м/с); z - зернистость
порошка АСМ (2,8...10); Г- время притирки (120...300 с).
При обкатывании роликами после
обтачивания с учетом технологической наследственности параметры
шероховатости можно определить из уравнения
у, = k0vk's \ ">y\k'P k'D Ч\\ (6.56)
где v и s - соответственно скорость резания и подача при точении (v =
= 1,2...4,7 м/с), (s = 0,05...0,4 мм/об); г - радиус при вершине резца
(0,5...2,0 мм); у - передний угол резца (4...40 "); г - заборный радиус
ролика (0,5... 1 мм); Р- усилие на ролик (294...784 Н); D -диаметр ролика
(23...42 мм); ^д и уд - соответственно подача инструмента и
окружная скорость детали при обкатывании (\д - 0,5... 1,33 м/с, ^д =
= 0,07...0,15 мм/об).
205

Значения коэффициентов, входящих в уравнение (6.56), для различных
материалов приведены в табл. 6.14.
Средний шаг неровностей по средней линии Sm при малых усилиях
обкатывания определяется подачей при точении s, а при больших усилиях
обкатывания - подачей при обкатывании 5Д. ~A/trk
Характеристики шероховатости при ЭМО
деталей из с т а л и ' 4 5 можно определить из следующих уравнении
для предварительно обточенных поверхностей (RaHCX - 1,6...6,2 мкм);
Ra = 0>006Ra^r003P-04v0».»Mrp°"(tg9e)-,M; (657)
Rp = 0,026RC^-(,•м^'-o•мv'•м,^1rp0■4,(tgФ/o'6^ (6-58)
для предварительно шлифованных поверхностей (RaHCX = 0,35...
1,6 мкм);
Ra = 0,18Ralf Г°-»р-°*№0»г?гтУп, (6.59)
Rp = OVR^I-WP-Wv0**^^-*-», (6.60)
где /- сила тока (1 ...500 А); сра - задний угол вдавливания (0,3...0,7°); Р -
усилие на ролик (294...588 Н); v - скорость накатывания (0,5. 1,33 м/с);
г - заборный радиус ролика (0,5... 1,5 мм); s - подача (0.07...0,15 мм/об).
Р Зависимость параметров шероховатости от
условий магнитно-абразивной обработки
[75]определяется следующими уравнениями:
Ra = 0,58 -^ ——; (6.61)
г0.52дО,05уО.0»у0.М
Ra /t0.Be0'05
Rp^ 1,08-Ra""fc * .„. (6.62)
T,0'3»fie'OSV0,2lV
где 6 - зазор между полюсниками и деталью (0,8...2 мм); В - магнитная
индукция в зазоре (0,3... 1,1 Тл); v0 - скорость осцилляции (0,05...0,15 м/с).
Исходные параметры волнистости WzHCX и WpHCX для всех этих
методов уменьшаются в 1,1-1,5 раза.
206
8
о
■*
00
^г
■^
см
•*~
О '

Исследуемый

параметр
у,-
Марка

обрабатываемой
стали
o°=f
о" о f
оо оо
— VI
оо°
1 1
°0 ~ л,
гч ш о\
f f о
°о-
оо оо
m <s о
о о о
оо о —.
■* гч
ОС «О
2 '"* <="
2 >*
о
0
0,27
-0,04
г~ гч *~
(NO
о of
оо «о ^
о'о'°
"Я2
° о о'
5-.S
= S чв
ffo-
»"о
,2 >*
и-»
0
0,23
-0,06
on r- £
СП О -
о" о °
о г- ^.
-о°
Г- гЛ —
ГЧ ГО SO
fff
5"-»
?<=>
S = r-
<f о о
in — —
oo-o-
<=>.- CO
Soo
<s>-
о
207

6.3. ВНУТРЕННИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВРАЩЕНИЯ
Значения параметров качества внутренних поверхностей вращения
деталей из конструкционных сталей для различных технологических
методов их обработки приведены в табл. 6.15.
Высотные параметры шероховатости для внутренних поверхностей
в зависимости от методов их обработки имеют следующую взаимосвязь.
Притирка, отделочно-упрочняющая и плосковершинная обработка:
Rmax = 5,0 Ra,
(6.63)
Rz = 4,0Ra. (6.64)
Сверление, зенкерование, развертывание, растачивание и протягивание:
Rmax = 6,0 Ra, (6.65)
Rz = 5,0 Ra.
Шлифование и хонингование:
Rmax = 7,0 Ra,
(6.66)
(6.67)
Rz = 5,5 Ra.
(6.68)
Параметр tm при этих методах обработки, соответственно, имеет
следующие значения; 55...60, 40...45 и 50 %.
Функциональная связь параметров состояния внутренних
поверхностей вращения деталей машин с условиями их обработки для различных
технологических методов имеет следующий характер.
Сверление (сталь 40Х):
Ra = 6,36rf0-2Sv0-12i0'";
(6.69)
Rp = 52,4-
,0.14
(6.70)
208
Sm = 0,2rfMv°'3V'62. (6.71)
Зенкерование (сталь 40Х):
„0.16 «.0,76
(6.72)
(6.73)
^0,06 y 0,22 (6-'4)
i
Развертывание Деталь 40Х):
»
d 0.25 у 0,69
Ra
Rp =
Sm
- 5,6-
254,8
= 1,5-
v 0,16,0,76
rf0,23
,0,53
rf0.52v0,51
,0,25
Ra = 0,1
.0,27
(6.75)
J0.19 0,36
Rp = 0,85i<-JL-; (6.76)
s
Sm = 0,4 v
0,02.0,6
rf°*J
(6.77)
В этих уравнениях: d - диаметр обрабатываемого отверстия
(12...25 мм); v - скорость резания: для сверления 20...33 м/мин, для
зенкерования 25...40 м/мин, для развертывания 5... 10 м/мин; s- подача:
при сверлении 0,06...0,14 мм/об, при зенкеровании 0,3...0,6 мм/об, при
развертывании 0,6..Л,6 мм/об.
Растачивание (сталь 40Х, HRC 30-35):
Ra = 76,2j0'57v0'03;r4'"°'08''"0,2«"0'34(50 + Y)"0'35; (6.78)
Rp = 228,25*0'66^'05Г|,02'-,,,6о-0'52(50+уГ0Н; (6.79)
Sm = 6-103v0'0V*7-0'12(50 + Y)0-01a-°'19; (6.80)
Wz = 29/0'08J0'37r0',(50 + Y)0'62v:°'56<i-0-1Vc;0'05; (6.81)
209

6.15. Возможности методов обработки в обеспечении точности размеров
Метод
обработки
1. Сверление и
рассверливание
2. Зенкерование:
черновое
чистовое
3.
Развертывание:
черновое
чистовое
тонкое
4. Протягивание:
черновое
чистовое
5. Растачивание:
черновое

получистовое
чистовое
тонкое
6. Шлифование:
черновое
чистовое
тонкое

плосковершинное
7. Хонингование:
черновое
чистовое
тонкое

плосковершинное
8. Притирка:
обычная

плосковершинная
Квалитет
10-13
10-12
8-9
10-11
7-9
5-6
9-11
6-8
11-13
9-Ю
7-8
5-6
8-9
6-7
5-6
6-8
6-7
5-6
4
5-8
4-5
5-7
Параметры состояния поверхностного
Нтах,
мкм,на
1000 мм
40-160
10-120
10-50
25-100
6-40
2-Ю
10-80
3-30
100-600
40-160
20-80
6-40
20-100
10-40
6-20
15-90
15-40
5-16
2-10
5-80
2-10
' 5-50
Wz,
мкм
5,0-32
5,0-16
3,6-8,0
2,5-6,25
1,25-4,0
0,5-1,6
1,25-5,0
0,4-1,6
8,0-40
4,0-12,5
2,5-6,25
0,5-4,0
4,0-16
1,25-6,25
0,32-1,6
0,5-10,0
1,25-5,0
0,4-1,6
0,4-0,9
0,5-10
0,125-0,63
0,4-1,25
Sm„„
мм
1,2-8,0
2,0-6,0
0,8-3,2
0,8-4,0
0,5-2,0
0,3-1,0
1,0-4,0
0,5-2,0
2,5-10
1,25-5,0
0,8-2,5
0,4-1,0
0,8-3,2
0,4-1,2
0,25-0,5
0,18-8,0
0,8-4,0
0,8-2,5
0,25-1,0
0,8-8,0
0,25-1,5
0,25-2,5
Ra,
мкм
3,2-12
2,5-8,0
1,25-3,2
1,25-2,5
0,63-1,25
0,32-0,63
1,25-3,2
0,32-1,25
8-16
2,5-8
0,8-2,0
0,2-0,8
1,6-3,2
0,32-1,6
0,08-0,32
0,32-2,5
1,25-3,2
0,25-1,25
0,04-0,25
0,25-2,0
0,02-0,16
0,10-0,80
Rp,
мкм
8,0-40
6,3-25
3,2-10
3,2-8,0
1,6-4,0
0,8-2,0
0,2-1,0
0,8-4,0
20-50
6,3-25
2,0-6,3
0,5-3,2
4,0-10,0
0,8-4,0
0,2-1,0
0,32-5,0
3,2-8,0
0,63-3,2
0,1-0,8
0,25-4,0
0,04-0,40
0,125-1,6
210
и параметров состояния внутренних поверхностей вращения деталей машин
слоя детали
Sm, мм
0,16-0,8
0,16-0,8
0,8-0,25
0,08-0,2
0,032-0,1
0,0125-0,04
0,08-0,25
0,02-0,10
0,25-1,0
0,125-0,32
0,08-0,16
0,02-0,10
0,063-0,2
0,025-0,1
0,008-0,025
0,063-1,0
0,063-0,35
0,02-0,2
0,006-0,2
0,04-1,0
0,005-0,04
0,032-0,2
S, мм
0,08-0,63
0,063-0,4
0,05-0,16
*
0,04-0,16 '
0,0125-0,063Е
0,008-0,02
0,04-0,2 =■
0,008-0,08"
0,25-1,0
0,08-0,32
0,032-0,16
0,01-0,08
0,032-0,16
0,01-0,08
0,003-0,016
0,006-0,16
0,025-0,16
0,008-0,08
0,003-0,16
' 0,008-0,20
0,002-0,02
0,003-0,20
+оост, МПа
200-300
100-200
100-200
100-300
100-400
100-450
200-300
200-300
200-300
150-250
150-200
100-150
200-300
300-400
200-300
100-150
300-400
300-350
300-400
100-200
150-250
100-200
Л„, мм
0,2-0,3
0,2-0,25
0,08-0,15
0,08-0,15
0,06-0,12
0,03-0,1
0,10-0,40
0,05-0,15
0,1-0,2
0,08-0,15
0,06-0,12
0,04-0,1
0,1-0,2
0,08-0,15
0,08-0,15
0,06-0,10
0,05-0,30
0,10-0,20
0,08-0,15
0,06-0,12
0,05-0,1
0,02-0,05
"н- %
10-30
20-40
10-40
10-40
20-40
10-30
20-40
10-50
10-50
10-40
20-40
0-30
10-40
10-30
0-20
0-10
10-30
10-40
10-30
0-20
0-20
0-10
Ан, мм
0,2-0,5
0,15-0,4
0,1-0,2
0,2-0,4
0,15-0,3
0,05-0,2
0,2-0,8
0,1-0,5
0,2-0,5
0,15-0,3
0,05-0,2
0,02-0,08
0,04-0,06
0,02-0,05
0,01-0,02
0,01-0,015
0,05-0,10
0,03-0,06
0,01-0,03
0,01-0,015
0,005-0,01
0,005-0,008
211

Метод
обработки
9. Раскатывание:
черновое
чистовое
10.
Выглаживание
11. Вибронакаты
вание
12. Дорнование
Примечания см. к
Квалитет
8-9
5-7
5-8
5-8
5-8
табл. 6.1
Параметры состояния поверхностного
Hmax,
мкм,на
1000 мм
40-100
5-40
5-60
5-60
4-30
Wz,
мкм
3,2-12
1,6-5,0
3,2-10
0,5-32
0,25-3,2
Sm„„
мм
0,5-8,0
0,3-6,0
0,3-8,0
0,25-15,0
0,25-15,0
Ra,
мкм
0,32-2,0
0,05-0,32
0,05-2,0
0,062-1,6
0,1-1,6
Rp,
мкм
0,63-5,0
0,05-0,8
0,05-5,0
0,1-4,0
0,1-3,2
Wp = 7)6f0'lj0'31r0'0e(50 + Y)1'08v"0'38o-MVc;0'22;
(6.82)
Sm„, = 30у0'25а0'^-0'09г-0'08(50 + уГ0'"уст0'07;
(6.83)
Н^ = 961,6^0•иJ0'02v0•0,r0■01(50 + Y)-0•llyc;0•,,9.
(6.84)
где t - глубина резания (0,15...0,9 мм); s- подача (0,05...0,5 мм/об); v-
скорость резания (50... 150 м/мин); г - радиус при вершине резца
(0,5...2 мм); у - передний угол (4...45°); а - задний угол (3...7°);УСТ -
статическая жесткость станка по ГОСТ 18097-93 (9,8...39,2 кН/мм).
Внутреннее шлифование (сталь 40Х, HRC 30-35):
Ra = 9,25^39^5й0'012г0'06у-0'иН-0'04/^'8;
Rp = 76,б4\0^0^0',6Н-°'53^16г-°-°8;
(6.85)
(6.86)
Sm = 5-10-V'2V'0V^H0'19z0'6V0'°VM3-
рад np jct >
(6.87)
212
слоя детали
. Sm,мм
0,1-1,0
0,025-0,2
0,025-1,0
0,01-12,5
0,025-1,0
S, мм
0,1-1,0
0,025-0,2
0,025-1,0
0,008-0,5
0,016-1,0 ,
too,^, МПа
200-500
150-400
100-400
100-450
100-500
й0, мм
0,3-2,0
0,15-1,0
0,15-2,0
0,1-1,5
0,15-2,0
"н. %
30-70
20-60
20-70
10-70
50-80
Ан,мм
0,5-3,0
0,2-1,0
0,3-2,0
0,1-1,5
0,2-3,0
1
к
i
it
wP = 34,62 v-^^93^04"0'03"0'09^0'14^0'81;
Sm„ = l,09v»■°7^,3C4''-0'MH-0•17г,'■0^18;
H = 243,4v»^5r3«0'01H0'0,z-0'0V„0'03,
(6.88)
(6.89)
(6.90)
(6.91)
где v - скорость вращения детали (0,33...0,83 м/с); sn„ - продольная
подача, в долях ширины круга В (0,3В...0,85); лрад - радиальная подача
(0,01 ..0,05 мм/дв.ход); п - число выхаживаний (1 ...5); Н - твердость круга
(для стали Н = 5); г - зернистость круга (16...40);jCT - жесткость станка
(7,84...29,4 кН/мм).
Хонингование (сталь ШХ15). Хонингование отверстий,
предварительно прошлифованных с RaHCX = 0,5 мкм, брусками из электрокорунда
зернистостью 50/40 на керамической связке с СОЖ на основе керосина:
Ra = 0,26
„0,16 0,03 0,24 fO,40 J 0,09
Т\ Pi Pi Г Л .
0,04 0,03 т0, И '
Vi V-, ii
(6.92)
213

,-0,19 „0,04 0,04 0,34 ,0,43 л 0 08
Rp = 0,024 Г' Тг Pl Рг f A ; (693)
0,05 0,23 \V-7->f
v. v2
ro.n o,18/0.37^„.13
Sm = 0,17 ' Уг J ; (6 94t
0,36^,0,17 \P-yV
V2 Y2
/■0,25 j 0,22
Wz = 2,1 1—d
.0,04, 0,14—0,34 «,0,53 \},ii и
Vl V2 ^1 ?! Pl Рг
0,04 0,14—0,34 ,-0,53 0,22 0,09' (6.95)
где v, и v2 - окружная скорость инструмента соответственно при
черновом и чистовом хонинговании 0,43...1,25 и 0,83...2,5 м/с;/?,
и/удавление брусков на обрабатываемую поверхность соответственно при
черновом и чистовом хонинговании (0,5...1,5 и 3...10 МПа);/- частота
колебаний инструмента (22...32 Гц); А - амплитуда колебаний (1 ...2 мм);
Тх]лТг- время обработки соответственно при черновом и чистовом
хонинговании (Г, = Т2 = 5... 10 с).
Параметры шероховатости при алмазном хонинговании различными
брусками деталей из чугуна и стали приведены в табл. 6.16.
Результаты экспериментальных исследований подтверждают
теоретические предпосылки (см. гл. 5) о широких возможностях
механических методов обработки в технологическом обеспечении
системы параметров поверхностного слоя деталей машин. Условия
обработки оказывают различное влияние на параметры шероховатости,
волнистости и степень наклепа. Это указывает на то, что определение
оптимальных условий обработки только по шероховатости является
односторонним, так как эти условия могут неблагоприятно сказываться
на образовании волнистости и наклепа, которые оказывают большое
влияние на эксплуатационные свойства деталей машин.
Значительное влияние на параметры обрабатываемых поверхностей
деталей машин оказывает технологическая наследственность. Это
указывает на широкие возможности управления системой параметров
обрабатываемых поверхностей деталей машин на всем протяжении
технологического процесса. Большими возможностями в повышении
экплуатационных свойств деталей машин обладают плосковершинные
и отделочно-упрочняющие методы обработки.
214
6.16. Значения параметров шероховатости при алмазном хонинговании
Марка брусков
АСО 80/63 Р11/Р9-50%
АСМ 40/28 Р11/Р9- 50%
АСМ20/4Р11/Р9-50%
АСМ 10/7РП/Р9-50%
<
АСМ5/ЗР11/Р9-50% 1
t
АСМ 28/20 Ml-100%
К
АСМ 20/14 Р1-50%
* В числителе- чугун СЧ 21, в знал
Ra, мкм
0,103*
0,109
0,06
0,075
0,06
0,068
0,048
0,045
0,081
0,052
0,39
0,126
0,055
Rp, мкм
0,32
030
0,20
0,24
0,20
0,20
0,16
0,14
0,25
0,16
1,20
0,40
0,16
0,06 0,20
аенателе - сталь 45.
Sm, мм
0,31
1U9
0,24
0,23
0,18
0,16
0,14
0,11
0,04
0,02
0,12
0,10
0,26
0,26
t|0. %
5
1
5
1
7
6
9
I
4
3
4
т
9
т
6.4. ПОВЕРХНОСТИ ЗУБЬЕВ, ШЛИЦЕВ И РЕЗЬБ
Возможности методов обработки приведены в табл. 6.17-6.19.
В литературе имеются отдельные экспериментальные данные по
взаимосвязи параметров качества поверхностного слоя зубьев и резьб
с условиями их обработки [53, 60, 69, 73].
Так, при зубофрезеровании (сталь 40Х) имеем [60]:
1) встречное зубофрезерование фрезами с обычной схемой резания:
Rz = г\тта°'*г-*-*\-а'ггкти [мкм];
с прогрессивной схемой резания
Rz = 25w°'90J0'21z-№v-°'22)fc [мкм];
(6.96)
(6.97)
215

6.17. Возможности методов обработки по обеспечению точности обработки
Метод обработки
Зубонарезание:
модульными
фрезами
червячными
фрезами
долбяками
Протягивание
Накатывание
Шевингование
Шлифование
Обкатывание
Притирка
Степень
точности
9-11
8-9
7-8
6-7
8-9
5-6
5-6
5-6
5
Параметры состояния поверхностного
Нтах,
мкм
200-100
15-60
10-40
5-20
10-80
5-15
3-10
3-8
2-5
Wz, мкм
10-50
5-50
5-30
31-20
10-50
2-10
1,5-10
3-10
2-3
Sm„„ мм
2,5-10
0,8-5,0
0,8-3,0
0,8-4,0
0,8-8,0
0,8-4,0
0,8-3,0
0,8-5,0
0,3-2,0
Ra, мкм
8,0-16
3,2-8,0
20-4,0
0,8-1,6
0,8-2,0
0,6-1,25
0,32-1,25
0,32-1,0
0,1-0,25
Rp, мкм
20-50
8,0-25
5,0-12
2,0-5,0
1,8-6,0
1,5-3,6
0,9-4,0
0,63-3,0
0,15-0,6
Примечания см. к табл. 6.1.
6.18. Возможности методов обработки по обеспечению точности шлицев
Метод обработки
Шлицефрезерование:
черновое
чистовое
Шлицестрогание
Шлицепротягивание
Шлифование шлицев:
черновое
чистовое
Накатывание шлицев
Обкатывание шлицев
Параметры состояния поверхностного
Нтах,
мкм
30-100
10-40
10-30
5-20
8-12
4-10
10-80
3-80
Wz, мкм
15-60
5-20
5-20
3-15
5-20
1,5-6
10-85
3-10
Smu„ мм
2,0-10
0,8-6,0
0,8-3,0
0,8-4,0
0,8-5,0
0,8-3,0
0,8-8,0
0,8-5,0
Ra, мкм
4-10
1,25-4,0
1,0-2,5
0,8-1,6
1,6-3,2
0,4-1,25
0,8-1,0
0,32-1,0
Rp, мкм
10-50
3,0-12,0
2,5-8,0
2,5-5,0
4,0-10
1,0-4,0
2,0-3,0
0,8-3,0
Sm, мм
1,0-5,0
0,1-2,0
0,08-2,5
0,08-2,0
0,1-0,32
0,032-0,10
0,08-5,0
0,063-2,0
Примечания см. к табл. 6.1.
216
зубьев и параметров состояния их рабочих поверхностей
слоя шлицев
Sm, мм
1,25-5,0
0,32-1,6
0,2-1,25
0,08-20
0,08-5,0
0,125-4,5
0,04-0,1
0,063-2,0
0,032-0,5
S, мм
1,0-5,0
0,2-1,6
0,125-1,25
0,05-2,0
0,063-5,0
0,08-0,5
0,026-0,063
0,032-2,0
0,02-0,5
±0оСТ, МПа
100-300
150-200
150-350
200-300
250-500
! 150-250
«
' 200-400
200-400
| 100-150
й„, мм
0,02-0,2
0,02-0,1
0,4-0,3
0,1-0,3
0,5-2,0
0,01-0,1
0,1-0,2
0,1-1,0
0,02-0,1
»„,%
10-40
10-40
20-50
10-40
50-70
10-40
0-30
30-70
10-20
Лн, мм
0,1-0,2
0,05-0,15
0,1-0,25
0,1-0,6
0,5-4,0
0,05-0,15
0,03-0,05
0,3-2,0
0,05-0,1
!*
и параметров состояния их рабочих поверхностей
слоя шлицев
S, мм
1,0-5,0
0,05-2,0
0,05-2,5
0,05-2,0
0,063-0,25
0,016-0,063
0,063-5,0
0,032-1,25
±°осг, мпа
150-300
100-250
150-250
200-300
200-400
200-300
250-500
200-400
Л0, мм
0,02-0,2
0,02-0,1
0,04-0,2
0,1-0,3
0,1-0,2
0,05-0,1
0,5-2,0
0,1-1,0
"н.%
10-40
10-30
20-40
10-40
0-30
0-20
50-80
30-70
Ан, мм
0,1-0,2
0,05-0,15
0,1-0,2
0,1-0,6
0,03-0,05
0,02-0,04
0,5-4,0
0,3-2,0
217

6.19. Возможности методов обработки по обеспечению точности резьбы
Метод
обработки
Нарезание резцами ]
гребенками, резцовыми
головками
Нарезание метчиками,
плашками
Шлифование резьбы
Накатывание,
раскатывание
Степень
точности
2,3
3
1,2
1,2
Параметры состояния поверхностного
Hmax,
мкм
3-10
4-12
2-8
2-6
Wz,
мкм
3-20
2-15
2-12
4-12
Smw,
мм
0,8-3,0
0,8-2,5
0,8-5
0,8-6,0
Ra, мкм
1,6-4,0
1,25-3,2
0,63-1,25
0,8-2,5
Rp,
мкм
4,0-12
3,0-10
1,5-4,0
1,6-7,0
Примечания см. ктабл. 6.1.
2) попутное фрезерование фрезами с обычной схемой резания
Rz = 24w0'8V-Mz-e-Mv-0'MfclnH[MKM], (6.98)
с прогрессивной схемой резания
Rz = 29m°^s^tz-^bz-^iv-t>-i2kmil [мкм]. (6.99)
В этих уравнениях: т - модуль нарезаемых зубьев (т = 1...5); s -
подача (у = 1 ...5 мм/об); z - число зубьев (z = 20...50); v - скорость резания
(v = 30...60 м/мин); /сизн - коэффициент, учитывающий износ фрезы.
Физико-механические свойства поверхностного слоя зубьев имеют
следующую связь с режимами зубофрезерования [53]:
1) поверхностная микротвердость
для стали 40Х
Н^ = 3208-40v+50j-0,2vj+0,9v2+5j2[MIla]; (6.100)
для стали 25ХГТ
НЦо = 2085-12v + 25*+0,13v.r+0,03v2+l,25.r2 [МПа]; (6.101)
218
и параметров состояния ее рабочих поверхностей
слоя резьбы
Sm, мм
0,08-0,25
0,063-0,2
0,02-0,1
0,063-0,15
S, мм
0,032-0,16
0,025-0,125
0,01-0,08
0,025-0,1 ,
1
±0ост, МПа
150-250
200-300
150-200
200-400
А„, мм
0,02-0,1
0,02-0,15
0,02-0,08
0,04-0,2
"н.%
10-30
10-40
0-30
50-80
Ан, мм
0,05-0,15
0,05-0,2
0,05-0,15
0,1-1,0
1 ,.—.— ,
i
для стали 20ХНЗА ;
Н = 1995-10v+25j+0,Hvj+0,02v2+1,35j2 [МПа]; (6.102)
2) поверхностные остаточные напряжения 1-го рода
для стали 40Х
о' = -7,26 + 67,4v+63,9.s+1,11 vj-1,3v2-68,5j2 [МПа]; (6.103)
для стали 25ХГТ
«Ст = -956+83,5v+79,7j+l,15vj-l,4v2-82,8j2[Mna];' (6.104)
для стали 20ХНЗА
«С = -928 + 84,9v + 80,9j+l,2vj-l,35v2-8318j2[Mna]; (6.105)
3) поверхностные остаточные напряжения 2-го рода
для стали 40Х
0^ = 590,4-9)5v-0,2i-0,05vj+0,14v2+0,28*J[Mna]; (6.106)
для стали 25ХГТ
о" = 502,4-17,7v-4,9j-0,07vi+0,3v2+0,7j:2 [МПа]; (6.107)
219

6.20. Параметры шероховатости при различных условиях зубошлифования
Абразив (связка
круга)
24А25СМ2(К5)
КРС 160/125 (БП)
КРС 160/125 (Ml)
ГАС 250/200 (Б 11)
Режим
обработки
Р1
Р2
Р1
Р2
Р1
Р2
Р1
Р2
Ra,
мкм
1,44
0,74
1,39
0,90
1,81
1,23
1,60
0,95
Rmax,
мкм
9,67
5,06
9,10
6,11
13,23
6,57
10,34
7,38
Кр,
мкм
4,40
2,27
4,37
2,83
5,43
3,14
5,11
3,89
Sm,
мм
0,063
0,078
0,072
0,090
0,055
0,059
0,052
0,084
tm, %
52
47
49
48
48
46
47
49
для стали 20ХНЗА
<С = 550-18v-5j-0,lvj+0,3v-0,8i2[Mna]. (6.108)
Эти уравнения адекватно описывают процесс при/и = 2...6 мм, z =
= 23...51, v = 25...40 м/мин, s = 2.5...10 мм/об.
Значения параметров шероховатости боковых поверхностей зубьев
при зубошлифовании на станке мод. 5831 колес из стали 18XTT(HRC61)
приведены в табл. 6.20 [23].
Первому режиму Р1 соответствуют скорость резания v = 30 м/с,
скорость обката s0 = 52 мм/мин, глубина шлифования / = 0,1 мм,
продольная подача п = 140 дв.ход/мин;
второму режиму Р2 соответствуют t = 0,02 мин, остальные условия -
без изменения.
Зависимость шероховатости (параметр Ra) поверхности зубьев (сталь
45ХН, HRC 52) от ее исходного значения и условий обработки
поверхностным пластическим деформированием (ППД) на станке
полуавтомате приведена на
рис. 6.1 [74].
При обработке резьб
качество поверхностного слоя, как
правило, характеризуем пара-
Рис. 6.1. Зависимость Ra от RaHCX при
обработке ППД зубьев:
/, 2,3,4- при радиальной подаче sr =
= 15мкм/ход, 5, б, 7, S-npHir =
= 60 мкм/ход
220
R»,
МКМ
: 20
: '5
Ю
\ 5
\
\
•
5
*^—
4
.._«
S 6 7 N, число
Иг.
мкм
(5
i »
i '5
Ч^
J
7
S
j \
/ i
i
i
н и":
—■ Рис. 6.3. Влияние заднего угла на
шероховатость боковых сторон профиля резьбы
Рис. 6.2. Зависимость шероховатости от числа
рабочих ходов t
метрами Ra или Rz и степенью упрочнения. Так, при обработке
внутренних резьб гаек излетали 40Х (НВ 280...320) многониточными
резцами Г.И. Добровольским приводится зависимость параметра Rz от
числа рабочих ходов (рис. 6.2) и заднего угла (рис. 6.3). Режуще-
деформирующая обработка резьб с крупным шагом (р > 3 мм) позволяет
получить в гайках из стали 45 шероховатость боковых сторон
профиля резьбы Ra = 0,5...0,67 мкм и глубину упрочненного слоя
0,2...0,35 мм. При комбинированной обработке внутренних резьб в
алюминиево-кремнистых сплавах может быть достигнута: шероховатость
Ra = 0,7...0,95 мкм, степень упрочнения ии = 1,3... 1,6 и глубина
упрочнения Ан = 0,25...0,35 мм.
Для раскатывания резьб твердосплавными раскатниками А.И.
Максимовым получено следующее эмпирическое уравнение для определения
параметра шероховатости Rz
Rz = c/v*.
(6.109)
Значения коэффициентов для различных обрабатываемых материалов
приведены в табл. 6.21.
Значительное влияние на формирование шероховатости при
обработке резьб оказывает СОТС. Так, при раскатывании внутренней
резьбы Мб при у = 8,7 м/мин это влияние для различных материалов
приведено в табл. 6.22 [73].
221

6.21. Значения Эмпирических коэффициентов
Обрабатываемый
материал
Д1
АЛ6
МЗ
Д16Т
12Х18Н9Т
20Х
с
12,5
47,1
10,1
10,1
8,8
15,5
*
. 0,66
0,69
0,82
0,69
0,61
0,64
6.22. Значение параметра шероховатости Rz
Материал
обрабатываемой детали
Сталь:
12Х18Н9Т
20
Алюминиевые сплавы:
АЛ99
Д1
Медь МЗ
Латунь ЛС59-1
соте
Касторовое
масло
5,0
4,5
3,7
1,1
3,0
1,9
Олифа
7,1
6,7
4,2
1,5
3,9
2,9
Сульфофрезол
6,0
6,2
4,2
1,5
3,8
2,4
Эмульсия
(8-10 %)
14,8
13,0
9,7
6,2 \
9,4
7,5
6.5. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ
НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Наряду с окончательными методами обработки значительное влияние
на качество поверхностного слоя деталей машин оказывает
предшествующая обработка. Это явление переноса свойств поверхностного слоя от
предшествующих операций к последующим по A.M. Дальскому [18]
называется технологическим наследованием.
Исходные неровности поверхности детали (макроотклонение,
волнистость и шероховатость) приводят к неравномерности глубины
резания, а следовательно, к изменениям сил резания и вынужденным
колебаниям инструмента относительно обрабатываемой поверхности.
222
Естественно, что эти колебания будут оказывать влияние на
формирование неровностей при окончательной обработке деталей. Математически
для механической обработки это описано в гл. 5.
Анализ расчетов в гл. 5 показывает, что при лезвийной обработке
формирование шероховатости зависит от Rz„cx и колебаний исходной
поверхностной твердости HBmin, HBmax. Волнистость зависит от ее
исходной величины, от RzHCX и изменений поверхностной твердости.
Исходное макроотклонение частично наследуется при последующей
обработке, а также зависит от исходных физико-механических
параметров поверхностного слоя Н^, h^, o0, ha. Формирование физико-
механических свойств поверхностного слоя при лезвийной обработке
в значительной мере будет зависеть от исходного состояния [см. (5.74)],
причем предшествующие степень и глубина упрочнения будут
оказывать влияние на возникающие поверхностные остаточные
напряжения. Кроме того, исхЬдные неровности будут вызывать
неравномерность силового и температурного воздействия на различные участки
обрабатываемой поверхности, а следовательно, вызывать
неравномерности структуры и формирование поверхностных остаточных
напряжений, г
Учитывая, что предшествующая лезвийная обработка производится
с большей глубиной резания и подачей и, как правило, с меньшей
скоростью резания, чем последующая, то при ней будет создаваться
большая степень упрочнения и глубина упрочненного слоя.
Следовательно, при каждой последующей обработке в зависимости от глубины
резания силовое и температурное воздействия будут накладываться на
упрочненную или неупрочненную поверхность. Очевидно, что это будет
вызывать изменение картины упрочнения поверхностного слоя.
Технологическое наследование параметров качества поверхностного
слоя при лезвийной обработке схематично показано на рис. 6.4, а. При
абразивной однопроходной обработке картина технологического
наследования качества поверхностного слоя аналогична лезвийной
обработке. Учитывая, что процесс шлифования осуществляется за
несколько рабочих ходов и, как правило, с выхаживанием, то очевидно,
что исходная шероховатость поверхности не будет оказывать влияние
на ее последующее формирования (см. гл. 5). В то же время исходные
неровности поверхности при абразивной обработке могут оказать более
существенное влияние на физико-механические свойства
поверхностного слоя. Это объясняется тем, что исходные неровности, даже
небольшие -0,01 мм, т.е. в пределах шероховатости Rz = 10 мкм, будут
вызывать более значительные колебания фактической глубины
шлифования при ее значениях 0,01-0,02 мм, а следовательно, и разность
223

исходные параметры качества поверхностного слоя
, , л
Получаемые параметры канестоа поверхностного слоя
а)
Цсходные параметры камее т£в поверхностного Слоя
"Щ ГдЛ [Z10
h»
IMF 0 0 0 E
Hj.M
"mm
b
Hj.M
с
af^H^ _L _i_ , f-j^JL, _L _I_ _L
Получаемые параметры качество поверхностного слоя
*)
исходные параметры качества поверхностного слоя
АД
Итм
«1
^.
tS»
J
n
4»
4»
—
fe
5«
lie
N.
«и
*
r
E
r«
h
N
4
A,
t
V
H
t
>.
/
N
A,
'«
s
Полхиоемые параметры качества поверхностного слоя
8)
Рис. 6.4. Технологическое наследование основных параметров качества поверхностного слоя
деталей:
- основное наследование; ■ • - - второстепенное наследование; а - лезвийная
обработка; 6 - алмазно-абразивная обработка; * - отделочно-упрочняющая обработка ППД
224
температурного и силового воздействия на соседние участки (выступы
и впадины неровностей) обрабатываемой поверхности.
Параметры волнистости и макроотклонения будут частично
наследоваться от их исходного состояния. Кроме того, формируемое
макроотклонение будет зависеть (как и при лезвийной обработке) и от
исходных физико-механических параметров поверхностного слоя.
Особенно технологическое наследование проявляется при
плосковершинной алмазно-абразивной обработке, полировании и суперфинише, когда
снимаемый припуск находится в пределах исходной высоты неровностей
шероховатости.
Общая схема технологического наследования параметров качества
поверхностного слоя при алмазно-абразивной обработке приведена на
рис. 6.4, б.
При отделочно-упрочняющей обработке поверхностным
пластическим деформированием (ОУО ППД) физическая картина
технологического наследования параметров качества поверхностного слоя будет
значительно отличаться от лезвийной и алмазно-абразивной обработки.
Так как обработка производится не за счет снятия поверхностного слоя,
а за счет пластических деформаций, то даже незначительное изменение
величины натяга вследствие исходных неровностей поверхности будет
вызывать значительные изменения рабочих давлений. Особенно это
касается жесткого инструмента, используемого при ОУО ППД.
Картина изменения исходной шероховатости при статическом
вдавливании шарика представлена на рис. 4.3. Анализ этого рисунка
показывает, что при одинаковом рабочем усилии формируемая
шероховатость определяется ее исходной величиной. Причем это
относится как к высотным Ra, Rz, Rmax, так и шаговым Sm и опорным
tp параметрам. Только при ОУО ППД параметр шероховатости tp
управляется не только за счет режимов, но и за счет исходной величины
шероховатости. При этом для увеличения tp при одинаковых режимах
ОУО ППД необходимо иметь большие значения исходных высотных
параметров шероховатости Ra, Rz, Rmax. Кроме того, формируемая
шероховатость будет зависеть и от исходной поверхностной
микротвердости Н„ .
го •
Следует отметить, что такой механизм технологического
наследования будет справедлив только при небольших рабочих усилиях, т.е. при
ОУО ППД на отделочных режимах. При обработке на упрочняющих
режимах за счет поверхностного пластического деформирования может
произойти полное переформирование исходной шероховатости (рис. 6.5).
Волнистость при ОУО ППД в значительной мере зависит от ее
исходной величины, исходной шероховатости и твердости поверхности
225

7
| \ a) 5)
Рис. 6JS. Изменение шероховатости поверхности при ОУО ППД на упрочняющих режимах:
а - исходный профиль шероховатости; б - сформированный профиль шероховатости
[см. (5.41)]. Макроотклонение при ОУО ППД практически не изменяется
и копируется, т.е. в полной мере проявляется технологическая
наследственность, что является одним из недостатков данного метода.
Физико-механические свойства поверхностного слоя зависят как от
их исходного состояния, так и исходных неровностей обрабатываемой
поверхности. При обработке на отделочных режимах на вершинах этих
неровностей величина упрочнения будет больше, чем в их впадинах. Это
относится как к макроотклонению и волнистости, так и шероховатости.
При обработке на упрочняющих режимах поверхностная твердость
различных участков выравнивается.
Схематично технологическое наследование параметров качества
поверхностного слоя деталей при ОУО ППД представлено на рис. 6.4, в.
Анализ показывает, что из всех методов механической обработки
технологическое наследование в наибольшей мере проявляется при ОУО
ППД на отделочных режимах.
Описанный механизм и представленная структурная схематехнологи-
ческого наследования в качестве поверхностного слоя деталей хорошо
подтверждаются результатами многочисленных экспериментальных
исследований, в том числе и приведенными в данной монографии (см.
гл. 5).
Исследования показали, что при проектировании технологических
процессов целесообразно придерживаться следующего правила
технологического наследования: каждая последующая обработка
уменьшает исходные высотные параметры шероховатости в 2-6 раз.
Например, если требуется обработать наружную поверхность вращения
с параметром шероховатости Ra = 0,О5...0,О8 мкм, а заготовкой является
поковка, то необходимо предусмотреть следующие операции:
1) точение:
черновое - Rz = 40...60 мкм;
чистовое - Ra = 2,0...3,0 мкм;
2) шлифование:
226
черновое - Ra = 0,6... 1,0 мкм;
чистовое- Ra = 0,1б...0,2 мкм;
3) суперфиниширование или притирка - Ra = 0,05...0,08 мкм.
6.6. МЕТОДИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Результаты решения задачи конструктора являются частью исходных
данных задачи технолога. Решение задачи технолога также
целесообразно осуществлять с помощью ЭВМ.
Возможная структурная схема решения задачи технолога для условий
уже существующего производства показана на рис. 6.6. В блоке 1
заложена информация, взятая из чертежа и технических требований на
конкретную деталь узла, для которой проводятся расчеты. В блоке 2
заложены условия существующего производства: имеющееся
оборудование и его загрузка, наличие инструмента, оснастки и т.д. Следует
отметить, что если технологический процесс разрабатывается для вновь
создаваемого производства, то надобность в блоке 2 отпадает. В блоке
3 осуществляется выбор возможных методов обработки. Данный этап
решения можно производить с помощью ЭВМ для всех уже
существующих производств (массовое, крупносерийное, серийное, мелкосерийное,
единичное) при наличии соответствующих уравнений связи параметров
качества поверхности с условиями их обработки. Наряду с указанными
уравнениями выбирается область факторного пространства, внутри
которой адекватно описывается поверхность отклика. Ряд таких
зависимостей для механических методов обработки приведен в гл. 5
и 6.
Расчет условий обработки для каждого из выбранных методов,
которые обеспечивают назначенные конструктором параметры
состояния поверхности и точность размеров, производится в блоке 5. На
данном этапе заданные конструктором параметры состояния
поверхностного слоя деталей являются функцией, а искомые условия обработки -
аргументом. Таким образом, стоит задача описания аргумента по
заданной функции. В общем случае одни и те же значения аргумента
должны удовлетворять нескольким функциям, так как стоит задача
технологического обеспечения системы параметров состояния
поверхностного слоя. Конечно, если требуется обеспечить только один параметр
состояния поверхности (например, Ra), то задача существенно
упрощается.
Эту задачу можно упростить, если использовать уравнения взаимной
связи параметров состояния поверхности, основанной на их
коррелированное™ для каждого метода обработки и привести их к одной
227

Материалы деталей, точность
размеров, параметры
состояния сопрягаемых поверхностей
и допустимые пределы их
изменения, обеспечивающие
требуемые эксплуатационные свойства
соединений деталей машин
Г"
Условия
существующего производства
(имеющееся
оборудование, инструмент,
оснастка и тд.)
Выбор возможных методов обработки с учетом
особенностей конкретного производства (/' методом)
Зависимости параметров качества поверхностного
слоя деталей машин от условий их обработки
для всех выбранных технологических методов
I
Расчет условий обработки для каждого выбранного
технологического метода, обеспечивающих
требуемые параметры состояния обрабатываемых
поверхностей
Расчет себестоимости выбранных технологических
методов для определенных условий обработки
Выбор метода и условий обработки с минимальной
технологической себестоимостью
ЭВМ
Рис. 6.6. Структурная схема задачи технолога
характеристике или применить комплексный параметр, в частности Сх.
Возможности некоторых методов обработки в обеспечении этого
параметра приведены в табл. 6.23. Осложнения при решении возникают
и в связи с тем, что условия обработки могут изменяться только в
заданной области изменения факторов, которая выбирается вместе с
228
соответствующими зависимостями в блоке 4. Это указывает на то, что
совместное решение системы уравнений, связывающих требуемые
параметры качества поверхностного слоя и точность размеров с
условиями конкретного метода обработки, из-за ряда ограничений
представляет определенную трудность, а в некоторых случаях такого
решения может и не быть. Поиск совместного решения существенно
облегчается тем, что требуемые параметры качества поверхностей и
размеры деталей машин задаются конструктором вместе с допустимыми
границами их изменения, которые рассчитываются в блоке 6 структурной
схемы на рис. 6.6. Чем шире эти границы, тем легче технологу решить
свою задачу.
6.23. Значения параметра Сх для различных методов чистовой обработки
»
Метод обработки!
Торцовое фрезерование: *
чистовое
тонкое
Плоское шлифование: ;
чистовое
тонкое
Накатывание
Обтачивание:
чистовое
тонкое
Круглое шлифование:
чистовое
тонкое
Суперфиниширование
Полирование
Накатывание
Растачивание:
чистовое
тонкое
Внутреннее шлифование:
чистовое
тонкое
Хонингование
Раскатывание
сх
2,4-0,80
1,3-0,55
2,3-0,70
1,2-0,40
0,9-0,08
2,1-0,68
1,0-0,45
2,2-0,75
1,2-0,50
1,0-0,30
0,9-0,10
0,8-0,07
2,2-0,71
1,2-0,65
2,3-0,80
1,4-0,60
1,2-0,40
0,8-0,08
229

Экономически целесообразнее применить метод обработки, имеющий
наименьшую технологическую себестоимость, поэтому в блоке 7
рассчитывается технологическая себестоимость методов обработки,
которые обеспечивают заданные параметры состояния поверхностного
слоя и точность размеров деталей при рассчитанных условиях обработки.
После проведения расчетов для всех возможных методов обработки,
выбранных в блоке 3, в блоке 8 осуществляется окончательный выбор
метода обработки конкретной поверхности, обеспечивающего
получение параметров ее состояния и точность размера в допустимых
пределах и имеющего минимальную себестоимость.
Необходимо отметить, что технологические расчеты, начиная с блока
3, являются формализованными и могут осуществляться на ЭВМ после
выбора соответствующих вычислительных методов и разработки
программы. В данном случае целесообразнее применять технологические
ориентированные языки программирования, которые позволяют
параллельно с выводом результатов расчетов на печать изготавливать
программоносители для станков с числовым программным управлением
(ЧПУ). Примером разработки технологически ориентированных языков
программирования могут служить системы подготовки управляющих
программ, например "ЁХАРТ". В работе [3] дана характеристика этой
системы и примеры ее использования в металлообработке.
Таким образом, задача, выполняемая в блоках 5, 7 и 8, может решаться
по одной из программ АСТПП "Расчет режимов резания и
нормирования" с учетом уравнений, приведенных в гл. 5 и 6 и используемых в
качестве технических ограничений по качеству поверхностного слоя
обрабатываемых деталей машин.
Написанная программа по назначению и технологическому
обеспечению системы параметров поверхностного слоя деталей машин
базируется на следующих положениях.
Эксплуатационный показатель С, связан с параметрами двух
контактирующих поверхностей Л,', А2' ... (/ = 1,2) и с некоторыми
геометрическими и физико-механическими характеристиками
соединяемых деталейР\,рг,... теоретической или эмпирической зависимостью
С = /(А,1, А2\ ... A,2, А22, .... р,, р2...).
В частности, для износа, контактной жесткости, герметичности
соединений и момента, передаваемого посадкой с натягом, такие
уравнения приведены в гл. 3.
Для фиксированных методов обработки сопрягаемых поверхностей
имеются эмпирические выражения параметров их состояния Ау' с
условиями обработки г*':
230
V = Ф/О-/- гг-)-
Такие уравнения приведены в гл. 6.
Наконец, известна зависимость обобщенного показателя
экономичности Е от режимов обработки для различных технологических методов.
Ставится задача математического программирования:
[min]£;
С б [С,; С,]; (6.П0)
Ук s т[ < ~г{; i = 1, 2; к = 1, 2, .... hj. (6.111)
Условие (6.110) выделяет в пареллелотопе (6.111) область весьма
сложной формы, поэтому в программе реализован алгоритм узлов
прямоугольной сетки: «
'*(») = —(*>* + W - *)rk\ s е 0, nl. (6.112)
Для уменьшения объема перебора вариантов в алгоритм введена
предварительная сортировка параметров rt' по характеру их влияния на
вектор (с; £).
Положим, что
*ж<гЬ
1, если С монотонно возрастает по rk';
-1, если С монотонно убывает по rt';
0, если С не зависит от rt';
2, если С зависит от rt немонотонно.
Аналогично вводится \Е (г£). В зависимости от сочетания значений
vc(rt') и v^r^') отнесем параметр т1к к одному из классов (табл. 6.24).
Для каждого класса (с учетом подкласса "а" или "б") назначаются
начальные значения параметра режимов и устанавливается своя система
перебора. К примеру, параметрам подкласса 8а назначаются
максимально возможные значения, которые уже не изменяются.
231

Частота сетки л* для каждого параметра rfc' назначается в зависимости
от класса этого параметра и задаваемого в исходной информации уровня
дробности d. В программе реализованы четыре уровня дробности.
Зависимость nt' (diKnac() отражена в табл 6.25.
6.24. Классы rt' 6.25. Частота сетки
Функция
"с
-1
1
0
2
Функция v£
-1
За
66
46
56
1
6а
36
4а
5а
0
8а
86
0
7
2
За
36
1
2
d
1
2
3
4
Класс
0
-
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
3
2
3
3
3
4
1
1
1
2
5
2
2
1
3
6
2
3
3
3
7
1
1
2
2
8
-
При наличии быстродействующей ЭВМ программа может быть без
труда дополнена дальнейшими уравнениями дробности,
соответствующими более мелким сеткам. Если необходимо обеспечить требуемое
эксплуатационное свойство с определенной точностью, то
устанавливается уровень терпимости TOL, определяемый формулой
TOL = 1 + //100, (6.113)
где t - допустимое отклонение эксплуатационного свойства, %.
Вся справочная информация помещена в подпрограммы. Исходные
данные заносятся на специально разработанный бланк заказа.
Программа выводит на печать: количество найденных равноценных вариантов:
способ обработки вала и втулки; тип посадки; способ сборки; параметры
сопрягаемой поверхности вала и втулки, режимы их обработки.
Расчеты на ЭВМ показали, что производительность инженерного
труда при определении оптимальных условий обработки вала и втулки
и параметров сопрягаемых поверхностей, обеспечивающих требуемое
эксплуатационное свойство, повышается в сотни раз.
Как было показано выше, такая система автоматизации обеспечения
заданных параметров поверхностного слоя и точности размеров деталей
машин в большей мере подходит для массового, крупно- и
среднесерийного производства. Что же касается единичного и мелкосерийного
232
производства, то, очевидно, здесь может быть использован метод
адаптивного управления качеством поверхности.
В России довольно широкое распространение получили системы
адаптивного управления точностью обрабатываемых деталей [3]. Однако
важнейшими показателями качества деталей машин являются также
шероховатость и волнистость их поверхностей, поверхностная
микротвердость и остаточные напряжения. Поэтому использование адаптивных
систем для управления этими характеристиками позволило бы в полной
мере автоматизировать процесс обеспечения качества обрабатываемых
деталей.
В настоящее время имеются различные виды регулирования,
используемые при адаптивном управлении. Одним из наиболее
распространенных методов является предельное регулирование, при
котором система управления обеспечивает поддержание предельного
значения одного или нескольких параметров (крутящего момента,
радиальной силы, точности), измеряемых датчиками на станке.
Применение специальных датчиков для измерения шероховатости,
волнистости, микротвердости и остаточных напряжений обрабатываемой
поверхности позволяет ^использовать этот метод регулирования для
адаптивного управлений характеристиками деталей машин при их
изготовлении.
Ниже приведено описание возможности использования метода
регулирования для адаптивного управления качеством обрабатываемой
детали при поперечном шлифовании.
Взаимосвязь среднего арифметического отклонения профиля
шероховатости Ra обрабатываемой поверхности с поперечной подачей
snon, работой шлифования А, взаимным поперечным перемещением
шлифовального круга и детали /, изменением диаметра заготовки AD для
различных периодов поперечного шлифования графически можно
представить в следующем виде (рис. 6.7, а). Использование такой
последовательности шлифования позволяет получить минимальную
величину шероховатости для данных условий (шлифовальный круг,
материал заготовки, СОЖ, станок). Однако на практике это не всегда
необходимо, обычно требуется получить величину шероховатости,
заданную чертежем детали или технологическим процессом. Исходя из
этого, процесс шлифования при использовании системы адаптивного
управления шероховатостью экономически целесообразно проводить
в следующей последовательности: черновое шлифование, выхаживание,
чистовое шлифование (рис. 6.7, б).
На стадии чернового шлифования / производится интенсивный съем
припуска при максимально допустимой работе для данного
шлифовального круга. При достижении необходимого размера детали, измеряемого
233

*b,«wu4J>
Уерно6сгшлиоо6ание\ Выхожи- Черноёоешлифоб I Чист&ре
Частное ш^ание бани* / шсфйанае
о)
Вшажибаиие
5)
Рис. 6.7. Изменение Ra при обычно применяемой последовательности шлифования (а) и при
новой последовательности шлифования (б)
специальными датчиками, происходит отключение поперечной подачи,
а процесс шлифования будет продолжаться в результате компенсации
податливости технологической системы до получения требуемой
шероховатости обрабатываемой поверхности Ra (стадия выхаживания
II), контролируемой специальным индуктивным датчиком (рис. 6.8).
При получении необходимой шероховатости Ra включается
двигатель, обеспечивающий поперечную подачу, гарантирующую
постоянство снимаемого объема металла, зафиксированного по
окончании стадии выхаживания И. Стадия III - чистовое шлифование,
необходима для снятия дефектного слоя, оставшегося после чернового
шлифования и получения требуемой точности размера.
Общий вид системы адаптивного управления качеством
обрабатываемой детали при шлифовании приведен на рис. 6.9.
Диаметр D, шероховатость Ra, заготовки и
радиальная сила шлифования Р в форме
электрических сигналов поступают в электронные
преобразующие устройства ЭПУ, откуда их значения
поступают на аналоговый вход вычислительной
Рис. 6.8. Датчик для измерения шероховатости поверхности:
1 - ощупывающая игла; 2 - корпус; 3 - плоская пружина; 4 -
стержень; 5 - катушка; б - скользящий контакт; 7 -
односторонний демпфер; 8 - обрабатываемая заготовка
234
Рис. 6.9. Система адаптивного управления качеством обрабатываемой детали при
шлифовании:
/ - деталь; 2 - шлифовальный круг
i
машины. Сигнал работы шлифования А определяется по скорости
изменения измеряемого диаметра заготовки. Вычислительная машина
в зависимости от измеренных и вычисленных параметров Ra, P, D иА
оптимизирует значение поперечной подачи Jnon, передаваемой в
управляющее устройство УУ, где она кодируется и поступает в виде
электрического сигнала, на шаговый электродвигатель ШЭ. Сигнал
радиальной силы шлифования Р также поступает на управляющее
устройство для своевременного переключения быстрого подвода круга
на рабочую подачу при соприкосновении круга с заготовкой и остановки
станка, если радиальная сила шлифования превысит допустимую.
Для адаптивного управления микротвердостью и остаточными
напряжениями поверхностного слоя обрабатываемой детали
необходимо дополнительно измерять ее температуру. Аналогичный принцип
адаптивного управления качеством обрабатываемой поверхности
деталей машин может быть применен и при других методах обработки.
Так, общий вид аналогичной системы адаптивного управления качеством
обрабатываемой детали при хонинговании цилиндра приведен на
рис. 6.10. Диаметр D, шероховатость Ra заготовки и давление брусков
р, измеряемые в процессе хонингования специальными датчиками, в виде
электрических сигналов поступают в электронные преобразующие
устройства ЭПУ, откуда их значения передаются в аналоговый вход
вычислительной машины. Вычислительная машина по
запрограммированной стратегии и в зависимости от величины измеренных и
вычисленных A Ra нр оптимизирует значение подачи s или давление брусков/?
по диаметру при чистовом и по шероховатости Ra при отделочном
хонинговании, обеспечивая максимальную производительность.
Значение этой подачи или давление брусков передается в управляющее
235

Рис. 6.10. Система адаптивного управления качеством обрабатываемой детали при
хонинговании:
/ - деталь; 2 - хон
устройство УУ, где оно кодируется и поступает в виде электрического
сигнала на шаговый электродвигатель ШЭ, осуществляющий
регулирование радиальной подачи или давления брусков.
6.7. ПРИМЕРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Прогнозирование параметров шероховатости при чистовом точении
заготовок из конструкционной стали 40Х (ов = 1800 МПа) резцами,
оснащенными твердым сплавом Т15К6 (<р = 45°, ф] = 5°, у = 0, а = 1 °, г =
= 1 мм). Режим обработки: v = 150 м/мин, t = 0,5 мм, s = 0,16 мм/об.
Обработка ведется на токарно-винторезном станке (/ст = 20 мН/м).
Ожидаемые параметры шероховатости можно определить по
теоретическим (гл. 5) и эмпирическим (гл. 6) зависимостям. Для расчета
по теоретическим уравнениям предварительно определим исходную
формулу
arcsin -
1т
arcsin
0,16
2-1
Таким образом, теоретический расчет параметра Rz необходимо
провести по формуле (5.4). Предварительно определим по справочнику
-c_D = 500 МПа.
236
Подставляя исходные данные в уравнение (5.4), а затем в (5.1) и
учитывая, что вторая составляющая на порядок меньше остальных,
получим
Rz = 103{(1 -cos5o)+sin5o[0,16cos5o-v/0,16sin5e(2-1 -0,16sin5°)]} +
0,031 1 *L
\
, v/5002 + 8002, n, ...
+ i i <- + 0,6 = 4,5 мкм.
1 21
+
tg5° 0,1
Остальные параметры шероховатости можно рассчитать по формулам
(5.12И5.15):
Ra = 0,2-4,5 ц 0,9 мкм; Rmax = 1,2-4,5 = 5,4 мкм;
l
Sm = 0,135 мм; tio = 0,006-102-2 = 0,95%;
120 = 0,006-202'2 = 4,4 %; t30 = 0ДЮ6-202'2 = 10,7 %;
140 = 0.006-402? = 20,1 %; tso = 0.006-502'2 = 32,8 %;
t60 = 0,006-602-2 = 49 %; t70 = 100-0,055(100-70)''8 = 75 %;
t80 = 100-0,055(100-80)!'8 = 88 %; t90 = 100-0,055(100-90)lfi = 96,5 %;
Расчеты по эмпирическому уравнению (6.46) позволяют получить:
Rz = 416,6-150-°'45-0,160'36 х O^'-l0'12 х
х (50+0)0005-Ю-0,'(200-100)-0'22 = 4,6 мкм;
Sm=l,79-159°'1-0,160'l8-0,5-0'25-l0'15x
х (50+0)°'2110Ч20100)-°'31 = 0,17 мм.
Полученые значения Rz наглядно демонстрируют, что результаты
расчетов по теоретическим и эмпирическим уравнения имеют хорошую
сходимость.
Определение ожидаемого значения параметра шероховатости при
электромеханической обработке наружной цилиндрической поверхности
деталей из стали 45, предварительно обработанных: точением (RaHCX =
= 1,6 мкм) и шлифованием (Ra„cx = 1,6 мкм).
Условия ЭМО: профильный радиус рабочего ролика г = 1,5 мм;
задний угол вдавливания ролика <ра = 0°20', сила тока / = 500 А, усилие
237

при ЭМО Р = 800 Н, скорость обработки v = 30 м/мин, подача s =
= 0,15 мм/об.
Подставляя исходные данные в уравнения (6.57) и (6.59), получим:
при предварительном точении
Ra = 0,006-1,6,'03-500-003-[^]М-300'37 х
х 0,150-35 ■ 1,5°-3S (tg 0°20')"'03 = 0,61 мкм;
при предварительном шлифовании
Ra = 0,18-1,61'2МОО-0-03(^]~М1-300'М х
х 0,156-M-l,S-e-2(tgOe20')"0,M = 0,36 мкм.
Данный пример показывает на проявление технологической
наследственности в состоянии поверхностного слоя деталей.
Определение оптимальных режимов чистового точения жестких валов
(d - 40 мм) из стали 45 на токарно-винторезном станке 1К62, резцами
из сплава Tl 5K6, с глубиной резания / = 0,6 мм и Ra = 2,5 мкм.
В качестве технических ограничений при чистовом точении жестких
валов могут быть приняты:
1) ограничение по стойкости
v 3,18С„Л
nsy- 4 —, (6.114)
Tmt*'d
где Т- стойкость резца, принимаемую равной 60 мин; (cv = 420, xv = 0,15,
уу = 0,20, m = 0,20, ку = 75/61) - коэффициенты [83];
2) ограничение по параметру шероховатости обрабатываемой
поверхности Ra [уравнение (6.51)];
3) ограничение по минимальной подаче станка
4) ограничение по максимальному числу оборотов станка
Подставляя условия обработки в уравнения (6.114) и (6.51) и
принимая по паспорту станка 5СТ mjn = 0,07 мм/об и лсттах = 2000 об/мин,
получим
238
ns°* s 1954,3; „м*^-o.se * 0,4; s * 0,07; п <. 2000.
Введя обозначения In п = Xj, In (100j) = х2, получим систему линейных
неравенств:
х, + 0,2х2 s 7,58,
0,061 х, - 0,58 хг <; 0,91,
х, <. 7,6,
хг г 1,94.
(6.115)
Решив полученную систему уравнений графически для условия /и =
= max, получим
"опт Р е*"" = е? = 110° об/мин;
JonT = -— = — = 0,12 мм/об.
опт j. 100 100
Этот пример показывает, что приведенные в гл. 6 уравнения могут
быть использованы в качестве технических ограничений по состоянию
поверхностного слбя обрабатываемых деталей при расчете
оптимальных режимов.
Определение наиболее производительного метода обработки
(алмазное точение или магнитно-абразивная обработка) роликов из стали 45
(HRC 48) (D = 100 мм, L - 350 мм) с целью получения параметра
шероховатости поверхности Ra = 0,3 мкм при исходном его значении
RaHCX = 1,5 мкм. Условия обработки:
а) алмазное точение производится резцами, оснащенными эльбором-Р
с радиусом при вершине г - 1,5 мм и передним углом у = 0°;
б) магнитно-абразивная обработка производится на установке ФАС-3
при режимах: зернистость порошка АГ= 120; окружная скорость детали
v = 84 м/мин; зазор между полюсниками и деталью б = 1 мм; магнитная
индукция в зазоре В - 1 Тл; скорость осцилляции v0 = 5 м/мин.
Преобразовав уравнение (6.43), получим зависимость для определения
подачи, ограниченной параметром шероховатости обрабатываемой
поверхности Ra:
д я 1.69 .0,49 „0.32
s = 22,13ка „ . (6.116)
(90 + у)1
1.12
239

Подставляя исходные данные в уравнение (6.116), получим
О З1,69' 1 50,4'1 ft ЮОл I
s = 22,13 *- 100° I = 0,017л0'32.
(90 + О)112
Максимальная производительность обеспечивается при наибольшей
допустимой подаче, которая, как следует из последнего равенства,
возрастает с увеличением скорости обработки, поэтому для
максимальной скорости, определенной стойкостью как инструмента v = 150 м/мин,
получим итах = 472 об/мин. Скорректировав это значение с паспортными
данными станка (лст = 400 об/мин), получим s = 0,12 мм/об.
Машинное время обработки при алмазном точении
L + /, + /2 150 + 5 + 5 ■
/м = = = 3,3 мин.
sn 0,12-400
Для магнитно-абразивной обработки роликов машинное время можно -
определить из уравнения (6.61):
0,52
0,58 Ra^V1^03
^" (6.117)
Подставив исходные данные в уравнение (6.117), получим
0.52
Г„ =
0,581,5oss120olM0'3 ,c
- 4,5 мин.
N 0,3-100'05-840м-5°'м
Следовательно, для данного случая наиболее производительным
методом обработки по машинному времени является алмазное точение.
Определение оптимальных режимов вибронакатывания плоских
поверхностей деталей из стали 40Х (HRC 30) с целью получения
максимальных значений контактной жесткости.
С использованием математического метода планирования
экстремальных экспериментов была получена эмпирическая зависимость связи
контактной жесткости непосредственно с условиями виброканатывания:
j - 392,7(0,lp)022«013RaH^%°'23> '(6.118)
где р - рабочее давление при вибронакатывании; п - число рабочих
ходов; snp - продольная подача; RaHCX - исходное значение среднего
240
арифметического отклонения профиля шероховатости обрабатываемой
поверхности.
Для определения оптимальных режимов вибронакатывания можно
применить симплекс-метод, суть которого состоит в следующем:
1) на основании плана экспериментов для получения зависимости
(6.118) точках пространства, близких к оптимальным, проводится серия
опытов;
2) из серии опытов, образующих симплекс, отбрасывается точка с
худшими значениями контактной жесткости;
3) точка заменяется на новую, симметрично распложенную
относительно других точек;
4) в этой точке ставятся эксперименты и рассматриваются значения
контактной жесткости в точках нового симплекса;
5) исследования продолжаются до тех пор, пока применение правил
1-3 не приведет к тому, что система симплексов начнет вращаться вокруг
некоторого наиболее высокого значения контактной жесткости. Это
означает, что достигнута область оптимума.
Результаты проведенных исследований по определению оптимальных
режимов вибронакатывания плоских поверхностей деталей из стали 40Х
при со = 0 и давлении р = |0 МПа с целью получения максимальных
значений контактной жесткости приведены в табл. 6.26.
6.26. Контактная жесткость плоских поверхностей
деталей в различных точках симплекса
Точка
симплекса
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
р, МПа
600
700
700
700
800
700
600
700
800
700
Jnp>
мм/мин
200
250
160
200
200
160
200
125
125
160
п
1
1
1
2
1
2
3
2
1
4
j, МПа/мкм
первое
нагружение
4,0
4,7
5,6
5,3
5,0
6,6
5,4
6,6
5,5
6,5
повторное
нагружение
4,7
6,6
6,5
6,1
5,8
8,4
6,4
8,2
6,2
8,0
241

За опорную точку для построения симплекс-плана взяты результаты
седьмого опыта из матрицы планирования экспериментов.
Итак, оптимальными режимами вибронакатывания деталей из стали
40Х (HRC 30) являются рабочее давлениер = 700 МПа, что соответствует
нагрузке Р = 2,6 кН, на один шарик при его диаметре d = 15 мм;
продольная подача s = 160 мм/мин; число рабочих ходов п = 2.
Обработка на этих режимах позволяет повысить контактную
жесткость плоских поверхностей деталей: при первом нагружении с 1,5
до 6,6 МПа/мкм; при повторных нагрузках - с 2,4 до 8,4 МПа/мкм.
6.8. НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ1
Влияние случайных факторов на формирование качества
обрабатываемой поверхности приводит к различной надежности при его
технологическом обеспечении. Высокая надежность в обеспечении параметров
качества поверхностного слоя необходима при изготовлении
ответственных деталей, а также при малых допусках на эти параметры, например,
при изготовлении образцов шероховатости.
В.П. Федоровым разработан программный метод исследований
параметрической надежности технологического обеспечения
параметров качества поверхностного слоя деталей машин [105]. В качестве
показателя выбора того или иного метода обработки по критерию
параметрической надежности предлагается максимум вероятности Р
выполнения задания по одному из параметров качества поверхностного
слоя У в заданном интервале:
PiY е (У + 6У; У - &Y) = max, (6.119)
где У - средняя величина регламентированного параметра качества
поверхностного слоя, например, Ra; ±6 У - допустимая величина
изменения регламентированного параметра.
Для различных технологических методов при различных Y и 6 У
величина Р определяется путем имитационного моделирования, которое
осуществлялось в виде аддитивных моделей (6.120) или модулей Кобба-
Дугласа (6.121):
У = Р„ + P,*i + :.. + t,X, + ... РЛ, (6.120)
Параграф написан по данным В.П. Федорова.
242
у= vaxt>x?...x?...xlk. (6.121)
Здесь Х( - ;-й фактор технологического метода; р0, р,, ... Рд. истинные
значения коэффициентов, которые являются случайными нормально-
распределенными величинами.
В основу построения имитационных моделей положен физико-
статистический подход, концепция которого заключается в том, что
структура модели технологического метода формируется на основе
анализа причинно-следственных связей факторов обработки и внешней
среды, а выходные параметры определяются статистическими методами
[105].
Если в моделях (6.120) и (6.121) величины Х{ являются случайными,
то для математического ожидания и дисперсии параметра качества
поверхностного слоя по модели Кобба-Дугласа, получим:
l
MiY,) = «pCnWtPjl + I \nXtM$t\ (6.122)
SHY,) - exp libS?<p0> + ZQnXfS4fi,)\ (6.123)
Если в моделях (6.120) и (6.121) случайными являются одни или несколько
факторов Х(, то М{ У,} и S{ YJt определяются путем обработки
результатов машинного эксперимента над имитационными моделями на ЭВМ
по схеме Монте-Карло, блок-схема которой представлена на рис. 6.11
[105].
В качестве исходных данных используются результаты построения
имитационных моделей, конструкторские и технологические ограничения
[105].
1) Имитационная модель для параметра У:
У = ДР0, р„ X,).
2) Имитационная модель скорости изменения параметра У в процессе
функционирования технологической системы
y - У<Ео, С.
3) Математические ожидания и средние квадратические отклонения
коэффициентов и случайных факторов обработки:
Mlp,}, 5{р,.}, М%), 5{5,Л, MiX,), SiX,).
243

Г Исходные
данные
ГРасмет
условий
обработки
I Расчет N
г
А-
I
J~1
a.ff(t.,tt.x,)
J..
Г Генерация
I-*' I ——
-7-
Улим, Уф,, Т
S. Х'яюх, Ximln
6.d.,a,d
Датчик
псевдослучайных
чисел
J»A,...Jf,...JfcF
,«£.
<£>
ПроЬерка гипотез,
оценка ,
параметров
-Ю 1
Оценка
Вероятности
выполнения
работы
-П-
. Расчет
оеооятносты
Jejonvrojuao
реванш, в течение
•е-
Т
С Конец )
m
M(Y)
i(Y)
Л'
L
P(IY-?I^BY)
Рис. 6.11. Блок-схема расчета надежности технологического обеспечения параметров качества
поверхностного слоя деталей методом Монте-Карло
4) Допустимые пределы изменения параметра качества
поверхностного слоя детали Y (например, Ra), заложенные в конструкторской
документации, и время безотказного его обеспечения, т.е. Утах, Ymin, Т.
5) Допустимые пределы варьирования технологических режимов
обработки *,.max,*,min.
6) Доверительная вероятность а и допустимые абсолютные ошибки
определения оценки M(Y), S2{ У] (величины and).
Далее определяются номинальные значения технологических
факторов Xt, обеспечивающих получение оптимального значения
требуемого параметра качества поверхностного слоя Гопт и
максимальную величину запаса технологического метода х\ по этому параметру.
При этом в соответствующих имитационных моделях используются
коэффициенты bt = М(р,'}.
В дальнейшем осуществляется тактическое планирование, которое
связано с вопросами эффективного использования машинных ресурсов
и ряда других проблем, среди которых важнейшее значение имеет
обеспечение точности и достоверности результатов моделирования. В
244
Н £
R *
if
о
Ь
о
о
-С
X
Hmax
В
N
PS
Е
В
о.
X
л
В
N
ОЙ
со

Относительное
отклонение
Метод обработки
OOONOt
— Tf \0 ОО On
о" сГ о" о" о"
Ю 1Л >Л >Л ОО
СЧ "<t sO ОО OS
о" о" о* о о"
ОО'Л'ЛО
— сп »п г— os
о" о о' о' о"
1Л 1Л "Л "Л >0
— m m r- о>
о" о" о" о" о"
«лосло
о* о" о" о" о"
посслт
О — — гЛ и-1
о" о" о" о" о"
гч»«Л СЛ
О — гЛ >0 ОО
о" о о" сГ о"
NOOVIO
о" о" о" о" —
*Л>ЛООО<Л
о — N г- ^
о~ о" о" о" о"
ОО N N >П «Л
О — ГЧ ГО sO
о" о" о о" о"
Г- (S fN 1Л«Г|
О — СЧ ГО Щ
о" о" о" о* о"
OV1 0"Л«Л
~- ГЧ -^ Ш Г-
о" о" о" о" о"
IT) 1ГЦЛ 1Л >Л
— с-> in г- оо
о" о" о" о о*
- Д m г- os
о" 0" о" о" о
и
X
X
л
а
о
•е-
X
ч
3
U
о
Е
>.
р.
OOOOVniA
СЧ_ ^ SO СО_ Os
о" о* о" о" о
гл >Л Г- Osc>
о* о" о" о" о"
оо«ло>лоо
О fN 1Л Г- ОО
о' о" о" о о"
о о «л in о
— ГЛ >П Г- On
о" о* о" о" о*
о о о о *п
о" о" о' о" о"
О О О ОО СЧ
ГЧ *Г СО ОО Os
о" о" о" о" о"
MOgOVl
"— Xf vO OS Os
о" о' p* о* о*
*
ГЧ OS О О О
OS OS © О О
о* о"« —" —"
in о ар о о
■* оо as о о
о" о' о" —Г —*
1ЛО>ПООО
"•t СО OS OS О
о" о" о" о ~
"ЛО<ЛЛО
^- ОО OS Os О
о" о" о о" —"
О ГЧ so ON О
in ОО Os OS О
о" о" о' о" —«"
Ш "ЛОООО
in oo^ о\ о_ о
о" о" о" —" —"
- M^^Os_
о 0~ сГ о' о'
и
X
X
(D
3*
о
н
о
ж
m о о г- о
г<^ ЧО_ 0О_ OS_ О^
о" о о о —"
О О О ОО О
\о оо^ os_ os^ о_
о" о" о* о" —"
о^оом
СЧ ТГ Г- Os Os
о" о" о* о" о
<ЛОР^ОС>
сч in г- os os
о" о" о" о" о"
— М Tf VS г**
о" о" о" о" о"
N0O <ООМ
— Г-4 in Os Os
doo"o"d
о in in in о
"1. *Ч ^ °°_ °^
о" о о" о о"
чо in о о о
\D OS О О О
о" о" —* —** —*
00 1П О 1П OS
ГЧ чо Os Os On
о" о" о о" о"
оо in in о in
_—■ f<i r^. ty, os
о" о" о" о о
со m m in _.
— f*-i Г- 00 °^
o" o" o" o" <=>
О 1П GO О 1П
ГЧ Tf Г- OS OS
о" о о" о" о"
С-1 О О О 1П
ГЧ in CO OS OS
о" о" о" о" о"
-£mt-os
о" 0~ о" о" о"
2 «»
° S
в 5
< Е
о о in оо os
с*"» Г*»- Os Os Os
о" о' о о" о"
О <П Os О О
in Os Os О О
о о о — —
in in о о о
омг^оосл
о" о' о" о" о"
\о in о in со
— in Os Os Os
о" о" о* о" о"
о in гч \о so
— m in so r-
o" о о" о" о*
ГЧ 0О CO Tt in
<N ч* SO CO_ Os^
о" о" о" о о"
О О О >П ОО
*Ч "1 *^L °°. ^
о" о" о" о" о
О SO _. О О
Os OS °1 О О
о" о" ° —" —"
о in со о о
1П_ Г-_ Os_ 0_ 0_
о" о" о* —" —"
in in in in о
гЛ Г- CO OS О
о о о о —
in in in о о
гч in t--_ os о
о" о" о* о" —~
so оо оо оо о
m г-_ со os о^
о" о* о" о" —"
о о о os о
"Ч. °°- °\ °\ °.
о" о" о о —"
о" 0- о" о" о"
in in in os о
г*") г** Os Os О
о" о" о" о" —"
о so os о о
Г- OS О О О
о о о — —
о >п о о in
>—■ f*1 CO OS Os
о" о' о" о" о"
о >п in оо os
f*S С"» Os OS Os
о" о" о о" о"
so in in о о
—i "^ sO_ 00_ Os_
о" о" о" о" о"
оо *п in rj in
О <N Tt SO Г-
о" о" о" о" о"
гч in оо сч гч
—_ ^_ sO_ СО_ Os^
о" о о о" о"
о о in со о
гч in г- os о
о о" о о" —"
О О О ГЧ ОО
— "* г— Os Os
о" о" о" о* о"
"^ СО 1П 1П О
гч in со os о
о о о о —
in in in о о
— tt SO CO Os
о о" о о" о
Tj- CO SO SO О
c^m oo^os_o^
о" о" о" о* —"
ГЧ ^°, °\ Os О
сГ°°сГ-
- гч^^^-
о ,-,■■ о" о" о"
ев t
у X О
х к -е*
х а я
S н 8 а
2 « й й
111 Si
^ rt С XX
Ч ю
И о
245

t-o
OS
6.28. Надежность технологического обеспечния параметров качества поверхностного слоя
при обработке плоских поверхностей деталей из различного материала
Метод
обработки

Шлифование

Накатывание
-
Виброкана-
тывание
Материал
детали
20Х
12ХША
СЧ20
40Х
СЧ20
40Х

Относительное
отклонение ±6У
0,1
0,25
0,5
0,1
0,25
0,5
0,1
0,25
0,5
0,1
0,25
0,5
0,1
0,25
0,5
0,1
0,25
0,5
Ra
0,35
0,78
0,98
0,20
0,52
0,84
0,3
0,68
0,94
0,65
0,97
1,00
0,19
0,45
0,78
0,22
0,51
0,83
Rz
0,30
0,60
0,90
0,18
0,40
0,78
0,20
0,45
0,80
0,28
0,48
0,85
0,16
0,40
0,76
0,21
0,50
0,82
Rmax
0,18
0,38
0,67
0,12
0,33
0,66
0,15
0,35
0,70
0,20
0,45
0,80
0,10
0,25
0,55
0,15
0,35
0,65
Rp
0,20
0,45
0,75
0,15
0,35
0,70
0,24
0,55
0,86
0,29
0,66
0,92
0,15
0,38
0,75
0,21
0,50
0,82
Sm
0,12
0,48
0,80
0,39
0,80
0,98
0,20
0,45
0,75
0,28
0,55
0,95
0,25
0,45
0,80
0,30
0,50
0,96
tm
0,60
0,96
0,99
0,77
0,99
1,00
0,35
0,60
0,95
0,65
0,95
1,00
0,45
0,60
0,95
0,68
0,75
1,00
Wz
0,15
0,30
0,55
0,14
0,28
0,52
0,50
0,90
0,99
0,50
0,90
1,00
0,15
0,37
0,68
0,16
0,37
0,70
Sm„,
0,05
0,15
0,32
0,04
0,15
0,30
0,10
0,25
0,54
0,14
0,30
0,60
0,10
0,25
0,55
0,15
0,30
0,60
Hmax
0,18
0,30
0,65
0,15
0,30
0,60
0,08
0,18
0,40
0,10
0,25
0,45
0,08
0,20 .
0,42
0,12
0,20
0,45
H*
0,14
0,25
0,55
0,12
0,22
0,50
0,05
0,13
0,25
0,80
0,95
1,00
0,10
0,15
0,30
0,90
0,96
1,00
*,,
0,12
0,24
0,50
0,10
0,22
0,48
0,05
0,10
0,22
0,35
0,50
0,85
0,08
0,14
0,28
0,25
0,45
0,88
°OCT
0,22
0,40
0,64
0,20
0,36
0,60
_
-
-
0,45
0,60
0,86
_
-
-
0,40
0,55
0,88
К
0,16
0,35
0,60
0,14
0,35
0,55
_
-
-
0,30
0,50
0,80
_
-
-
0,35
0,50
0,85
я о о я
ЯС О р
о я s
р
н Q я
l 5-3
о 5 о
й
а
л
п
о
X
Я
S
8 о
■в- £
я "S
42 5 о
^ Т О
S Я Я
43 43 а
о о о
ш
* О
<т>
3 s -2
я р 8
2 Я
Ч 43 U4'D b
О » Jun *
s s s з й9
Я л ,^ Я1 ft
В х
^ 2
З^о
и о ч
Е со s
р
о я о
^-n р
Л ^Г Р
я <т> >< г? 2 •
Р ХЧ н Ч » :
X п 43 ? 43 -• <,.
е я о н g> w*-
" 1 2 =43 ug
Я g JS р И Ч
Ж 2 ° Р Я — 5>
г : я 2 S s
5 " я 3 g g s
- ^-S g I * 5
л ftxg * a n
3 wS 1^я~£
» я Q 1 S °1
<-, н о 2 -~ p £
о P -I 2 та о Я
E
о ,
■ a\ о
_ p 2 й -с= о s
- a - '•"
4
s
ы Н
§ о
й т я
° i Я
И' о
л ^ x
43 X n
х»н
X I О
о я л
о js 2
4 n X
ж * 5
ir л л
2 x со я
О?он
я 5 я
о ^
о
Н
сг
5
со
о
(31
о
Я
a
п> —
■»8
р о
I3
Я О
-, Ol
о 3
8 3
Я rt
Я X
2 s
^3 „
п я
)a О
™ й
й -в-
2 -в-
Я s
я с
« 3
Р Я
я' г
я я
2 3
* я
я о
S я
§5
о х
II
- №
•та
/■—ч
о
о>
or
Ш
Е
я
о
a
я
a
о
a
о
»
я
о
со
■та
со
■та
Со
^ ~а
я » а §
«2 ш о
2 О 43 й
* 1 (1 О
^ »
я а Э
я
(Т)
-©■ о
3 "б
Л р
я
я
я
г>
Я
я
»
S
я
43
Я
Ю
Я
Я
Я
СГ
__ X
S ш
2 о
X а>
<Г 43
S 5
Ч ш
2 ч
2 г
**
со
Ja
р
Я
я
о
Sc
1
а
5
ю
Е
я
3
-^
я ^
!5 °
я о
н со
Р (Г
О 43
а ~
я
о
а
я
л
е
р
ч
со
о
я
43
о я
I?
О о
И я
^ со

Глава 7
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Непрерывный процесс совершенствования и создания новых машин
зачастую ставит задачу - повышение качества пповерхностного слоя
деталей. Эта задача может решаться за счет использования различных
методов упрочняющей обработки, совершенствования существующих
или разработки новых технологических методов.
7.1. УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Наряду с механическими методами обработки широкое применение
в промышленности имеют упрочняющие технологии: нанесение
покрытий, диффузионное насыщение поверхностного слоя, физико-
термическая и электрофизическая обработка, термообработка.
Возможности упрочняющих методов обработки в управлении
параметрами качества поверхностного слоя деталей машин приведены
в табл. 7.1-7.71 [28, 31, 48, 55, 63, 81, 82, 88, 89, 95,96, 106].
Анализ этих таблиц позволяет определить группы основных
параметров качества поверхностного слоя (ПКПС) деталей, управляемых
при различных методах упрочняющей обработки (табл. 7.8).
Результаты исследований убедительно показывают, что практически
все методы упрочнения не позволяют управлять геометрическими и
микрогеометрическими параметрами поверхностей, в то же время по
сравнению с механическими методами обработки они в более широких
пределах изменяют физико-химическое состояние поверхностного слоя
деталей машин. Это говорит о том, что для технологического
обеспечения высокого качества поверхностного слоя ответственных деталей
упрочняющая обработка должна сочетаться с одним из методов
финишной механической обработки.
По данным А.П. Улашкина.
248
7.1. Возможности методов осаждения химической реакцией по управлению параметрами
качества поверхностного слоя (ПКПС) деталей
Качество
поверхностного слоя деталей

Геометрические
и

геометрические

параметры
Физико-

химическое
состояние


хностного слоя

Шероховатость

Волнистость


отклонение

Параметры
твердости
1
поверхностного
слоя

Остаточные

пряжения

Структура и
фазовый
состав
ПКПС
Rmax
R.z
Ra
Rp
tp
Sm
S

Направление
Wz
Wp
Sm„,
Hmax
Hp
"'ост
<Cr
m
°o«r
/Э
<D>
a, b. с
«.P.T

Оксидирование
0
0
0
0
0
|0
«o
i
0
0
0
0
0
0
+
+
0
0
0
0
0
0
Сульфи-
дирова-
ние
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Фосфа-
тирова-
ние
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

Нанесение

упрочняющего

смазочного
материала
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-

Осаждение из
газовой
фазы
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+
+
+
0
0
0
0
0
0
0
0

Качество
поверхностного слоя деталей

Химический
состав
ПКПС
С(х)
С(Ф)
Пористость поверхностного
слоя

Оксидирование
+
+
+
Сульфи-
дирова-
ние
+
*
0
Фосфа-
тирова-
ние
*
0

Нанесение

упрочняющего

смазочного
материала
*
0

Осаждение из
газовой
фазы
*
*
0
Обозначения.
"*" - позволяет управлять в значительной степени;"+" - позволяет управлять
незначительно; "0" - не позволяет управлять; "?" - информация о возможностях управления
отсутствует; "1" - полное обновление параметров.
7.2. Возможности методов осаждения из паров по управлению параметрами
поверхностного слоя деталей
ПКПС
Rmax
Rz
Ra
Rp
tP
Srn
S

Направление
Wz
Wp
Sm„.
Hmax

Электроискровое

легирование
+
*
+
*
*
+
+
+
0 .
0
0
0

Термическое
испарение
тугоплавких

соединений
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Катодно-
ионная

бомбардировка
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Прямое

электронно-лучевое
испарение
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

Реактивное

электронно-лучевое
испарение
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0


химическое
испарение
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
250
ПКПС
Нр
»н
Нн.
*н
"ост
<с
ш
°ост
h
<D>
Су
'б
а, Ь, с
«.P.Y
С(х)
cm

Пористость

Электроискровое

легирование
0
*
*
*
*
+
*
*
*
*
*
ф
*
ф
ф
0
Обозначения

Термическое
испарение
тугоплавких

соединений
0
*
*
*
0
0
0
о :
0
0
0
0
0
ф
ф
0
Катодно-
ионная

бомбардировка
0
*
*
+
+
+
?
0
0
0
0
0
0
*
*
0
см. к табл. 7.1.
Прямое

электронно-лучевое
испарение
0
+
+
*
+
+
?
0
0
0
0
0
0
*
*
0

Реактивное

электронно-лучевое
испарение
0
*
*
+
+
+
?
0
0
0
0
0
0
ф
ф
0


химическое
испарение
0
+
+
*
+
+
?
0
0
0
0
0
0
*
*
0
7.3. Возможности методов электролитического осаждения
по управлению параметрами качества поверхностного слоя деталей
ПКПС
Rmax
Rz
Ra
Rp

Хромирование
1
1
1
1

Никелирование
1
1
1
1

Электрофорез
I
1
1
1
Никель-
фосфати-
рование
1
1
1
1
Бориро-
вание
1
1
1
1
Борохро-
мирова-
ние
1
1
1
1
Хромо-
фосфати-
рование
1
1
1
1

пкпс
tp
Sm
S

Направление
Wz
Wp
Sm„,
Hmax
Hp
"h
H*
К
«'к,
°ocr
m
h
<D>
Cy
'6
a, b, с
«, P. Y
C(x)
cm

Пористость
Обоз

Хромирование
I
1
1
1
0
0
0
0
0
0
*
ф
0
0
0
*
0
0
*
*
*
*
*
*
н а ч ен и

Никелирование
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
ф
*
0
0
0
*
0
0
ф
ф
ф
ф
ф
ф
я см.к таб

Электрофорез
1
1
I
i
0
0
0
0
0
0
ф
ф
0
0
0
ф
0
0
ф
ф
ф
ф
ф
ф
л. 7.1.
Никель-
фосфати-
рование
1
I
!
1
0
0
0
0
0
0
ф
ф
0
0
0
+
0
0
ф
ф
ф
ф
ф
ф
Бориро-
вание
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
ф
ф
0
0
0
ф
0
0
*
ф
ф
ф
ф
ф
Борохро-
мирова-
ние
1
!
i
1
0
0
0
0
0
0
ф
ф
0
0
0
ф
0
0
ф
ф
ф
ф
ф
ф
Хромо-
фосфати-
рование
1
1
I
1
0
0
0
0
0
0
ф
ф
0
0
0
ф
0
0
ф
ф
ф
ф
ф
ф
252
7.4. Возможности напыления по управлению параметрами качества
поверхностного слоя деталей
ПКПС
Rmax
Rz
Ra
Rp
tp
Sm
S

Направление
Wz
Wp
Sra„.
Hmax
Hp
"h
H„

Плазменное

напыление

рошковых

териалов


ционное

пыление


тродуговое

напыление

Лазерное

пыление

Вихревое на-
пыле-
ние

Плакирование


ционное
при-
пекание

порошковых

материалов
253

пкпс
С
'э
<£»
Су
'б
а, Ь, с
«,Р. Y
С(х)
cm

Пористость
Обо

Плазменное

напыление

рошковых

териалов
0
*
0
0
0
+
+
ф.
ф
*
значеь


ционное

пыление
0
*
0
0
0
+
+
*
*
*
и я см.к


тродуговое

напыление
0
ф
0
0
0
+
+
*
*
ф
табл. 7.1.

Лазерное

пыление
0
*
0
0
0
+
+
ф
ф
*

Вихревое

пыление
0
?
0
0
0
+
+
ф
ф
ф

Плакирование
0
?
0
0
0
+
+
ф
ф
ф


ционное
при-
пекание

порошковых

материалов
0
+
0
0
0
+
+
ф
ф
ф


роконтактное
припе-
кание

порошковых

материалов
0
ф
0
0
0
+
+
ф
ф
ф
7.5. Возможности физико-химической обработки по управлению параметрами
качества поверхностного слоя деталей
ПКПС
Rmax
Rz
Ra
Rp
tp
Химическое и физико-химическое
воздействие

Химическая

обработка
0
0
0
0
0
Ионная

имплантация
0
0.
0
0
0
ФАБО
0
0
0
0
0
Элек-
троф-
рикци-
онная

обработка
0
0
0
0
0

Физико-термическая обработка

Лазерная
обработка
+
+
+
+
+

Плазменная
закалка
0
0
0
0
0
Электрофизическая
обработка
Элек-
троим-
пульс-
ная
обработка

пластическим


мированием
0
0
0
0
0


троконтактная

обработка
+
+
+
+
+


звуковая
обработка
ф
ф
ф
ф
ф
254
пкпс
Sm
S

Направление
Wz
Wp
Sm„.
Hmax
HP
"н
Hw
*н
с
a"«x
<с
h
<D>
Су
'б
а, Ь, с
«, Р, Y
ОД
С(Ф)

Пористость
Об
Химическое и физико-химическое
воздействие

Химическая

обработка
0
0
0
0
0
0
0
0
+
ф
ф
ф
ф
+
ф
ф
ф
ф
+
+
ф
ф
0
Ионная

имплантация
0
0
0
0
0
0
0
0
ф
ф
+
?
7
?
0
ф
ф
+
ф
ф
ф
ф
0
ФАБО
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
ф
ф
0
означения см. к табл.
Элек-
троф-
рикци-
онная

обработка
0
0
0
*
(0
«0
0
J>
1)
0
+
0
+
0
0
0
0
0
0
0
0
ф
+
0
7.1.

Физико-термическая обработка

Лазерная
обработка
+
+ .
0
0
0
0
0
0
ф
*
*
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
0
0

Плазменная
закалка
0
0
0
0
0
0
0
0
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
0
0
Электрофизическая
обработка

Электрой м-
пульс-
ная
обработка

пластическим


мированием
0
0
0
+
+
+
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
0
0
0
0
0


троконтактная

обработка
+
+
+
0
0
0
ф
ф
ф
ф
ф
ф
ф
*
ф
ф
ф
ф
ф
ф
0
0
0


звуковая
обработка
ф
ф
ф
+
+
+
0
0
ф
ф
ф
ф
ф
+
+
+
+
+
0
0
0
0
0
255

ON
7.6. Возможности диффузионного насыщения по управлению параметрами
качества поверхностного слоя деталей
пкпс
. Rmax
Rz
Ra
Rp
tp
Sm
S

Направление
Wz
Wp
Sm„,
Hmax
Hp
u„
H*
Боро-
хроми-
рование
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*

Вотирование
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*

Цианирование
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*
Сульфо-
циани-
рование
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*

Диффузионное

хромирование
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*
Нитро-
оксиди-
рование
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*
Нитро-
цемен-
тация
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
»
Карбо-
нитра-
ция
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*
Карбо-
хроми-
рование
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*

Азотирование
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*
Хром-

азотирование
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*
Хром-
титани-
рование
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*
Хромси-
лициро-
вание
0
Т)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
• *
*
Хром-
алитро-
вание
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
•
пкпс
/'„
<с
и
"ОСТ
<с
у,
<D>
Су
к
а, Ь, с
O.P.Y
С(Ж)
С(Ф)

Пористость
Обо
Боро-
хроми-
рование
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
0
значен
Бориро-
вание
*
*
*
#
*
*
*
*
*
*
*
*
0
и я см. к

Цианирование
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
0
табл. 7.1.
Сульфо-
циани-
рование
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
0

Диффузионное

хромирование
• *
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
0
Нитро-
оксиди-
рование
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
0
Нитро-
цемен-
тация
*
*
*
*
*
*
*
*
*
■'*
*
*
0
Карбо-
нитра-
ция
*
*
*
*
*
10Г
*
*
*
•
•
*
*
0
Карбо-
хроми-
рование
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*-
*
*
0

Азотирование
*
*
*
*
*
*
*
*
*
• -
*
*
0
Хром-

азотирование
* .
*
*
*
*
■ *
*
*
*
*
*
*
0
Хром-
титани-
рование
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
0
Хромси-
лициро-
вание
*
*
+
*
*
*
*
*
*
*
*
*
0

Хромал итро-
вание
*
*
*
*
#
*
*
*
*
• *
*
*
0
К)
-J

ГО
oo
7.7. Возможности наплавки и термообработки по управлению параметрами качества поверхностного слоя деталей
ПКПС
Rmax
Rz
Ra
Rp
Ч>
Sm
S

Направление
Wz
Wp
Sm»
Hmax
Hp
".,
Наплавка легированным металлом
Газовым

пламенем
*
*

Электрической
дугой
*
*
Плазмой
*
*

Лазерным
лучом
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*


распространяю-
щийся


температурный
синтез
*
•


рошлаковая
наплавка
*
*
■ Г '
Термообработка
Закалка
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*
-
Отпуск
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+
+

Улучшение
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+
+

Нормализация
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+
+
Закалка
ТВЧ
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
*
Закалка
с
обработкой
холодом
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
0
Термо-
циклиро-
вание
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
*
0
ПКПС
к
°L
«™
<Сг
1,
<D>
Су
h
а, Ь, с
о. Р.,
С(х)
cm

Пористость
Обо
Наплавка легированным металлом
Газовым

пламенем
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
0
значен!

Электрической
дугой
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
0
Плазмой
*
*
*
*
*
*
*
*.
*
*
*
*
0

Лазерным
лучом
*
+
+
+
+
0
0
+
*
*
*
*
+
i е см. к табл. 7.1.
Само-
распро-
страняю-
щийся
высоко-
темпера-.
турный
синтез
*
0
0
+
+
+
+
+
+
+
*
*
0


рошлаковая
наплавка
*
0
0
+
+
+
+
+
+
+
*
*
0
Термообработка
Закалка
0
•
*
0
*
*
•
*
*
*.
0
0
0
Отпуск
0
*
"*
0
*
*
*
*
*
*
0
0
0

Улучшение
0
*
*
0
*
*
*
*
*
*
0
0
0

Нормализация
0
*
*
0
*
*
*
*
«
*
0
0
0
Закалка
ТВЧ
0
*
*
0
* '
#
*
*
*
*
0
0
0
Закалка
с
обработкой
холодом
0
*
т
0
*
*
*
*
*
*
0
0
0
Термо-
циклиро-
ванис
0
*
*
0
*
*
*
*
*
*
0
0
0

7.8. Группы основных ПКПС, управление которымилозможио при различных
методах упрочняющей обработки

Классификационный признак
Упрочнение с
созданием пленки на
поверхности
Группы методов
Осаждение
химической реакцией
Осаждение из паров
Электролитическое
осаждение
Методы обработки
Оксидирование
Сульфидирование
Фосфатирование
Нанесение
упрочняющего смазочного
материала
Осаждение из
газовой фазы
Электроискровое
легирование
Термическое
испарение тугоплавких
соединений
Катодно-ионная
бомбардировка
Прямое
электроннолучевое испарение
Реактивное
электронно-лучевое
испарение
Электрохимическое
испарение
Хромирование
Никелирование
Электрофорез
Группы основных
параметров
качества поверхностного
слоя
ОН, ХС, ПЖ, ПР
ХС, ПЖ
ХС. ПЖ
ХС, ПЖ
ТВ, ХС
Ш, ТВ, ОН, СФ. ХС
ТВ. ХС
ТВ, ОН, ХС
ТВ, ОН, ХС
ТВ. ОН, ХС
ТВ.ОН.ХС
Ш,ТВ, СФ, ХС,
ПЖ, ПР
Ш, ТВ, СФ, ХС,
ПЖ, ПР
Ш, ТВ.СФ, ХС,
ПЖ, ПР
260

Классификационный признак
Упрочнение с
созданием пленки на
поверхности
Упрочнение
изменением химического
состава
поверхностного слоя металла
Группы методов
Электролитическое
осаждение
»
*
»
ь.
U
Напыление
износостойких покрытий*
Диффузионное
насыщение*
Методы обработки
Никельфосфатиро-
вание
Борирование
Борохромирование
Хромофосфатиро-
вание
Плазменное
напыление порошковых
материалов
Детонационное
напыление
Электродуговое
напыление
Лазерное
напыление
Вихревое
напыление
Плакирование
Индукционное при-
пекание
порошковых материалов
Электроконтактное
припекание
порошковых материалов
Борохромирование
Борирование
Цианирование
Группы основных
параметров
качества поверхностного
слоя
Ш, ТВ, СФ, ХС,
ПЖ, ПР
Ш, ТВ, СФ, ХС,
ПЖ, ПР
Ш, ТВ, СФ, ХС,
ПЖ, ПР
Ш, ТВ, СФ, ХС,
ПЖ
ТВ, ОН, СФ, ПР
ТВ, ОН, СФ, ПР
ТВ, ОН, СФ, ПР
ТВ, ОН, СФ, ПР
ТВ, ОН, СФ, ПЖ,
ПР
ТВ, ОН, СФ, ПЖ,
ПР
ТВ, ОН, СФ, ПР
ТВ, ОН, СФ, ПР
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
261


Классификационный признак
Упрочнение
изменением химического
состава
поверхностного слоя металла
Упрочнение
изменением структуры
поверхностного слоя
Упрочнение
изменением структуры
поверхностного слоя
Группы методов
Диффузионное
насыщение
Химическое и
физико-химическое
воздействие

Физико-термическая обработка
Электрофизическая
обработка
Методы обработки
Сульфоцианирова-
ние
Диффузионное
хромирование
Нитрооксидирова-
ние
Нитроцементация
Карбонитрация
Карбохромирова-
ние
Азотирование
Хромазотирование
Хромтитанирование
Хромсилицирова-
ние
Хромалитирование
Химическая
обработка
Ионная
имплантация
ФАБО
Электрофрикиион-
ная обработка
Лазерная закалка
Плазменная закалка
Электроимпульсная
обработка
пластическим
деформированием
Группы основных
параметров
качества поверхностного
слоя
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ХС
ТВ, ХС
Ш, ТВ, ОН, СФ, ХС
ТВ, ОН, СФ, ХС
ВО, МО, ТВ, ОН,
СФ
262

Классификационный признак
Упрочнение
изменением структуры
поверхностного слоя
Упрочнение
изменением структуры
всего объема металла
Группы методов
Электрофизическая
обработка
Термообработка
при положительных
температурах
i
t
«
i
Методы обработки
Электроконтактная
обработка
Ультразвуковая
обработка
Закалка
Отпуск
Улучшение
Нормализация
Закалка ТВЧ
Группы основных
параметров
качества поверхностного
слоя
Ш, МО, ТВ, ОН,
СФ
Ш, ВО, ТВ, ОН, СФ
ТВ, ОН, СФ
ТВ, ОН, СФ
ТВ.ОН.СФ
ТВ, ОН, СФ
ТВ, ОН, СФ
Требуется дополнительная отделочная или чистовая обработка.
Обозначения. МО - параметры макроотклонения; ВО - параметры волнистости;
Ш - параметры шероховатости; ТВ - параметры поверхностной твердости; ОН -
параметры остаточных напряжений' СФ - параметры структурного и фазового состава;
ХС - химический состав; ПР - пористость; ПЖ - параметры жидкотекучести.
Примечание. Группы параметров Ш, ВО, МО полностью обновляются и не
поддаются управлению.
7.2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ И
РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Одним из направлений по совершенствованию существующих и
разработке новых технологических методов является рассмотрение
единства процессов обработки и эксплуатации деталей машин [93,94].
Практически все методы обработки основаны на механическом,
физическом, химическом или их совместном воздействии на заготовки
при определенной кинематике перемещений. В то же время любая
изготовленная деталь имеет определенное функциональное назначение.
Наряду с первоначальным позиционированием в сборочной единице,
определяемым точностью размеров в процессе эксплуатации, детали
испытывают новое механическое, физическое или химическое
воздействие при определенной кинематике движений. Это приводит к
изменению взаимного положения собранных деталей, потере точности,
а иногда и к разрушению машин.
263

Все это. говорит об идентичности процессов воздействия на деталь
как при ее изготовлении, так и эксплуатации, а следовательно, указывает
на необходимость целенаправленного воздействия на детали при
обработке исходя из их дальнейшего функционального назначения.
Процесс воздействия на обрабатываемую и эксплуатируемую
поверхность детали можно представить в виде следующей
структурной схемы (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Структурная схема воздействия на обрабатываемую и эксплуатируемую поверхность
детали различных факторов
264
В данной схеме воздействующими факторами являются:
1 - геометрия рабочей части инструмента и кинематика ее перемещений
относительно обрабатываемой поверхности;
2 - контактное давление и сила (статическая и динамическая),
воздействующие на обрабатываемую поверхность;
3 - температура в зоне обработки;
4- химические явления на обрабатываемой поверхности;
5 - геометрия и кинематика перемещений сопрягаемой детали;
б- контактные давления и нагрузки (статические и динамические),
действующие на деталь;
7 - температура, воздействующая на деталь при эксплуатации;
8 - химические явления на рабочей поверхности детали при
эксплуатации.
Все вышеперечисленные факторы определяются:
1.1 - формой и размерами рабочей части инструмента;
1.2- макроотклонением, вфлнистостью и шероховатостью рабочих
поверхностей и инструмента;
1.3- скоростями и подачами взаимного перемещения заготовки и
инструмента;
2.1 - геометрией рабочей части инструмента;
2.2 - силой и жесткостью технологической системы;
2.3- временем воздействияГ
3.1 - величиной снимаемого*или пластически деформируемого
поверхностного слоя;
3.2- СОТС;
3.3 - временем воздействия температуры;
4.1 - материалом рабочей части инструмента;
4.2- СОТС;
4.3 - величиной снимаемого или пластически деформируемого
поверхностного слоя;
4.4- временем протекания химического процесса при обработке;
5.1 - формой и размерами сопрягаемой поверхности;
5.2- макроотклонением, волнистостью и шероховатостью
сопрягаемой поверхности;
5.3- кинематикой и скоростью взаимного перемещения сопрягаемых
поверхностей;
6.1 - формой и размерами сопрягаемой поверхности;
6.2- макроотклонением, волнистостью и шероховатостью
сопрягаемой поверхности;
6.3- рабочей нагрузкой на деталь при эксплуатации;
7.1 - температурой окружающей среды в процессе эксплуатации;
7.2 - промежуточной средой (смазкой);
7.3- рабочими нагрузками;
265

8.1 — физико-механическими свойствами поверхностного слоя
сопрягаемой детали;
8.2 - промежуточной средой (смазкой);
8.3 - температурой окружающей среды;
8.4- временем контактного взаимодействия.
Хорошим подтверждением этой концепции являются поверхности
трения деталей, финишную обработку которых можно рассматривать
как процесс приработки, обеспечивающий их равновесное состояние.
Анализ показывает, что при эксплуатации отдельные участки одной
и той же рабочей поверхности имеют различные механическое,
физическое и химическое воздействие, что сказывается на их
долговечности. Это относится к цилиндрическим, сферическим и криволинейным
поверхностям трения (подшипники скольжения, чашки дифференциала
заднего моста автомобиля, кулачки распредвалов, рабочие поверхности
зубьев и др.); к цилиндрам двигателей; к цилиндрическим и коническим
подшипникам качения; к рабочим поверхностям катания
железнодорожных рельсов и колес; к резьбовым соединениям; к рабочим поверхностям
режущих и деформирующих инструментов и т.д. Большинство деталей
машин, их соединений и инструментов работают при изменяющихся
условиях эксплуатации (скорости, нагрузке, температуре). Рабочие
поверхности трения таких деталей и инструментов должны обладать
быстрой прирабатываемостью. Естественно, что для повышения
долговечности таких деталей, соединений и инструментов необходимо
при изготовлении обеспечить различные эксплуатационные показатели,
а в большинстве случаев создать новые поверхностные слои, обладающие
быстрой прирабатываемостью. Все это ставит задачу
целенаправленного системного совершенствования существующих и разработки новых
методов обработки деталей машин, исходя из их функционального
назначения.
Анализ показывает, что совершенствование существующих методов
обработки, как правило, происходит случайно, а иногда исходя из
поставленной задачи. Так, придание дополнительно осциллирующего
движения рабочему шарику при накатывании позволило получить новый
метод обработки - вибронакатывание. Пропускание тока через зону
контакта "рабочий ролик - заготовка" при накатывании позволило
открыть электромеханическую обработку.
Затруднения с механической обработкой резанием
труднообрабатываемых материалов, а также необходимость повышения
производительности труда привели к комбинированным методам обработки.
Совершенствование существующих технологий обработки деталей зачастую
происходит из необходимости повышения их долговечности. Так,
цилиндрические и конические ролики подшипников качения для
266
предотвращения их разрушения по краям необходимо обрабатывать с
эксплуатационным распределением давлений вдоль образующей. Это
позволяет обеспечить шлифование роликов бесконечной лентой. В
результате такого шлифования ролики приобретают бочкообразную
форму, которая в эксплуатации дает почти равномерное распределение
давления вдоль образующей ролика. Правильный расчет условий
обработки (ширина и натяжение ленты, радиальная сила) позволяют
получить форму ролика, обеспечивающую практически равномерное
распределение давления вдоль образующей при его эксплуатации.
Аналогично обстоит дело и с подшипниками скольжения. Только здесь
неравномерность давления при эксплуатации будет как вдоль
образующей, так и по дуге контакта. Избежать этого можно отделочно-
упрочняющей обработкой ППД поверхности трения подшипника при
закономерно-изменяющемся рабочем давлении. Для обеспечения
равномерности износа отдельных участков поверхностей трения чашек
дифференциала и кулачков распредвалов можно применять
электромеханическую обработку с закономерно изменяющейся силой тока. Это
позволяет получить поверхности трения с закономерно-изменяющейся
степенью упрочнения, обеспечивающей равномерный износ при
различных давлениях и скорбстях'^
/(Ф)= l76 + 3,6HVBetffo)+176v-5,lP, (7.1)
где АГ(ф) - степень упрочнения поверхностного слоя;
HVHCX - исходная твердость обрабатываемой заготовки;
v - скорость обработки, м/мин;
Р - рабочее усилие при ЭМО, Н.
Анализ полученного уравнения показывает, что воздействие на
степень упрочнения может быть осуществлено не только через силу тока,
но и через скорость и давление, т.е. те же факторы, которые при
эксплуатации вызывают различную интенсивность износа. Это еще раз
подтверждает правильность выдвинутой гипотезы о единстве процессов
силового, температурного и др. воздействий на рабочие поверхности
деталей как при их изготовлении, так и эксплуатации.
Учитывая, что эти детали работают при постоянно изменяющихся
режимах, поверхности должны обладать и быстрой
прирабатываемостью. Это лучше обеспечивается, если поверхности имеют чередующиеся
мягкие и твердые участки. Получить такую поверхность можно, если току
'По результатам исследования А.О. Горленко.
267

при этом придать импульсный характер. Так появилась импульсная ЭМО
[94]. Различные участки рабочих поверхностей зубьев наряду с тем, что
работают при различных условиях, дополнительно должны обеспечивать
совершенно разные эксплуатационные свойства. Так, у их основания
должна обеспечиваться усталостная прочность, участок у делительной
окружности должен обеспечивать контактную прочность, остальные
участки боковой поверхности - износостойкость. Особенно это
характерно для силовых зубчатых передач. Совершенно очевидно, что
принятые в настоящее время технологии обработки боковых
поверхностей зубьев (фрезерование и шлифование) не могут обеспечить выполнение
таких условий. Это может быть обеспечено целенаправленным
изменением силового и температурного воздействий на обрабатываемую
поверхность зуба, что реализуется через комбинированную обработку
ППД и ЭМО, которая требует целенаправленной разработки как
инструмента, так и оборудования.
Анализ износа цилиндров двигателей показал, что они имеют
наибольший износ в верхней части. Это, очевидно, объясняется
повышенными температурами в этой части цилиндров при их
эксплуатации, которая при недостаточной маслоемкости поверхности может
приводить к явлениям схватывания, особенно в начальный период
приработки. Для избежания этого вредного явления на цилиндрах
двигателей целесообразно сформировать вибронакатыванием маслоем-
кие карманы. Величина карманов по длине цилиндра должна быть
различной, что обеспечивается закономерно изменяющимися режимами
обработки: частотой колебаний и усилием рабочего шарика
вибронакатного устройства.
В процессе эксплуатации железнодорожных рельсов их поперечный
профиль в зависимости от участка дороги (повороты, подъемы,
подложка, средние температуры и др.) в начальный период работы (в
процессе приработки) претерпевают значительные изменения, т.е.
происходит его естественная адаптация к условиям эксплуатации. Однако
эксплуатационники железных дорог при ремонте рельсов стремятся
вернуть им исходный поперечный профиль, что значительно удорожает
ремонт и опять приводит к быстрому и большому их износу в период
новой приработки. Все это в значительной мере сокращает долговечность
железнодорожных рельсов. Учитывая эти обстоятельства, целесообразно
при ремонте рельсов сохранять сформировавшийся их поперечный
профиль, убирая при этом вредный дефектный поверхностный слой.
Обеспечить это могут так называемые упругие технологии (иглофре-
зерование, лепестковое шлифование). За счет упругих деформаций
рабочих элементов инструмента (проволочки и лепестки), при
определенном сохранении жесткости, они позволяют снимать поверхностный
268
дефектный слой и сохранять сформировавшийся поперечный профиль.
Это приводит к необходимости целенаправленной разработки
инструмента с определенной упругостью его рабочих элементов. Одновременно
на поворотных участках в результате большого силового и
температурного воздействия на боковую поверхность головки рельса от реборды
колеса происходит их быстрый износ (практически срезание), что
приводит к необходимости быстрой их замены. Для избежания этого
вредного явления такие воздействия сил и температур на боковых
поверхностях рельсов на этих участках дорог целесообразно из
эксплуатации перенести в технологию с увеличением температурного и
уменьшением силового воздействия. Это могут обеспечить
термомеханическая или электромеханическая обработка. Что касается поверхности
катания обода железнодорожного колеса, то его участки вдоль
образующей при эксплуатации работают при различных давлениях и
температурах, а поэтому в процессе приработки изменяет свой
оптимальный профиль. Во избежание этого поверхность катания обода
колеса целесообразно обрабатывать электромеханически с закономерно
изменяющейся силой тока.
Анализ резьбовых соединений показывает, что они имеют различное
функциональное назначение. |Сроме этого, различные участки резьбовых
соединений по их длине будут испытывать различные нагрузки от
максимальных (на первых витках) до нулевых (на последних витках). Все
это говорит о том, что технология резьбовых соединений требует своего
совершенствования.
Рассмотрим только один пример. При эксплуатации различных
двигателей обнаружен процесс самоотвинчивания шпилек. Анализ
показал, что это происходит из-за уменьшения первоначального натяга
в резьбовом соединении "шпилька - алюминиевый корпус", что
происходит в результате пластических деформаций резьбы корпуса при
действии динамических нагрузок. Избежать этого вредного явления
можно, если перенести эти пластические деформации из эксплуатации
в изготовление. Это можно обеспечить или раскатыванием резьбовых
отверстий в корпусе, или созданием так называемых гладкорезьбовых
соединений. Для раскатывания резьб необходима целенаправленная
разработка инструмента. Сущность гладко-резьбового соединения
заключается в вворачивании шпилек в гладкие отверстия. Как в первом,
так и во втором случаях в процессе формирования резьбы отверстия
происходит пластическое насыщение материала, что предотвращает
возможность ее пластических деформаций при эксплуатации.
Обработка внутренних резьб в алюминиево-кремнистых сплавах ■
связана со значительными трудностями. Резание затруднено из-за вязких
свойств материала, пластическое деформирование - вследствие его
269

хрупкости. Все это привело к необходимости комбинированной
обработки и разработке специального инструмента, обеспечивающего
при обработке благоприятные условия резания и пластического
деформирования, что позволило значительно повысить
производительность обработки и качество резьбы.
Известно, что рабочие поверхности вырубных пуансонов, как и
других инструментов, работают в различных условиях. Основную
нагрузку несет режущая кромка, которая должна обладать повышенной
поверхностной динамической прочностью и износостойкостью. Для
обеспечения благоприятных условий резания и достаточной
поверхностной динамической прочности режущая кромка вырубных пуансонов
должна иметь оптимальный радиус скругления, что обеспечивается его
виброобработкой. Для повышения поверхностной динамической
прочности и износостойкости вырубных пуансонов их рабочая кромка
должна быть легирована материалами, обеспечивающими это, что
осуществляется лазерным легированием. Анализ взаимодействия рабочей
части режущего инструмента и обрабатываемой детали показывает на
возможность частичного или полного перевода процесса резания к
пластическому деформированию. Это в значительной мере расширяет
возможности совершенствования обычных методов механической
обработки.
Методология разработки новых методов обработки также может
базироваться на предложенной концепции нового научного подхода к
решению этой проблемы, основанной на единстве технологии
изготовления и эксплуатации деталей машин и их соединений.
Так, для повышения долговечности пар трения необходимо как можно
уменьшить их приработку в процессе эксплуатации. Этого можно
добиться финишной обработкой поверхностей трения, моделирующей
ускоренный процесс их приработки. В соответствии с разработанной
теорией трения и износа, процесс приработки представляет собой
микрорезание и пластические деформации микронеровностей
поверхностей трения. Обеспечить этот процесс можно на стадии финишной
обработки поверхности трения специальным инструментом с
моделированными микронеровностями. Рабочая поверхность инструментов
должна проскальзывать по поверхности трения обрабатываемой детали,
вызывая микрорезание и микродеформирование ее шероховатости. В
качестве такого инструмента может быть взят притирочный абразивный
брусок (с определенной зернистостью) или иглофреза (с определенным
диаметром рабочих иголок). Усилия прижатия и скорость
проскальзывания инструмента определяются условиями эксплуатации обрабатываемой
поверхности трения.
270
В зубчатых передачах в процессе приработки изменяется форма
эвольвентной поверхности, увеличивается боковой зазор, что ведет к
увеличению шума, изменению линии контакта и разрушению зубьев.
Избежать этого явления можно, если в процессе изготовления и
приработки зубчатых передач смоделировать все эти процессы:
при зубонарезании и шлифовке зубьев - обеспечить их
эксплуатационный профиль; при обкатке - обеспечить равновесное состояние качества
поверхности.
Рабочий профиль фрезы и шлифовального круга должен быть
скорректирован. Это, в свою очередь, говорит о необходимости учета
при проектировании инструмента функционального назначения
обрабатываемой поверхности. Для окончательной обработки боковых
поверхностей зубчатых колес может быть использована обкатка или
специальная технология финишной обработки, обеспечивающая процесс
микрорезания и пластических'деформаций микронеровностей. Финишная
обработка обеспечивается алмазным или обычным шевингованием.
Все это убедительно говорит о необходимости и возможности
целенаправленного научноь-обоснованного совершенствования и
создания новых технологических методов и инструментов исходя из
функционального назначения обрабатываемой поверхности детали.
7.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗДАНИЕ
ЗАКОНОМЕРНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Широкими возможностями в закономерном изменении
макроотклонения, волнистости и шероховатости обрабатываемой поверхности
обладают станки с ЧПУ, на которых достаточно просто обеспечивается
запрограммированное изменение режимов.
Из методов обработки следует выделить отделочно-упрочняющую
обработку ППД.
Так, В.П. Федоровым предложен программный метод образования
микрорельефа при вибронакатывании на станках с ЧПУ [105]. Его
сущность заключается в программировании траектории движения центра
инструмента с единичным индентором. Этот метод позволяет
реализовать как новые типы микрорельефов, так и любой закон их изменения.
Например, для создания синусоидального регулярного микрорельефа
(рис. 7.2,а) программно обеспечивается следующая траектория движения
индентора относительно обрабатываемой поверхности:
271

Y = Л, sin
2я v ..
1)Д<р
+ ДГ;
(7.2)
для квазирегулярного синусоидального микрорельефа (рис. 7.2, б):
Л, sin
fe,2n
sm
-ЛГ.+(/-1)Дф
+ ДУ.
(7.3)
Параметры Л t, Г, Д 7, входящие в уравнения (7.2) и (7.3),
рассчитываются системой ЧПУ в процессе обработки по исходным данным L, В, I,
N, к, kui, г, Дф (рис. 7.2), которые вводятся при обработке.
Данный метод позволяет реализовать принципиально новый класс
микрорельефа - стохастический и любой закон его изменения. Кроме
того, имеется возможность в узких пределах управлять и параметрами
физико-механических свойств обрабатываемой поверхности.
Более широкими возможностями в управлении закономерным
изменением физико-механических свойств поверхностного слоя
обрабатываемой детали обладает электромеханическая обработка за счет
возможности автоматизированного изменения силой тока. При решении
этой задачи положение рабочего ролика относительно обрабатываемой
поверхности контролируется
датчиком. Сигнал от этого
датчика в зависимости от
заданного закона изменения
силы тока преобразуется в
сигнал управления и подается
на установку ЭМО (рис. 7.3).
Данная автоматизированная
система закономерного
изменения силы тока может быть
жесткой, быстроперенастра-
иваемой и гибкой. В жесткой
системе в качестве програм-
Рис. 7.2. Регулярный синусоидальный
(а) и квазирегулярный
синусоидальный (б) микрорельеф при
вибронакатывании на станках с ЧПУ
I Y,
:
;
■а) АУ
' LY
с
v«
*>ДУ
е
X,
..*»
I
i
w
7>
Г
UjI 1
*Ч S . 1 z
/^VUSvT/C
¥^\
Т
\€н
.А".
§1
Z) _1
L
^"^^ШШ
1
L
1
L
ГгЛ>
_s
-У\&ш*
Т1 \4 \2
7 - l
i
А
i
j
"
X
<а
1
272
Датчики
Сигнал
положения
Формирование
сигнала упраоле-
баи с заданным
законом
i
Закон изменении
силы тона,
£частности
урабнение (7.14
Сигнал

управления
Устанобка
ЭМО
Рабочая
сила
TOKaItA
-
Рис. 7.3. Автоматизированная система с закономерным изменением силы тока при ЭМО
I
КопиР

Заданные
сигнал

Микроконтроллер
управляющего
напряжения
I
я
»
Сигнал
упраеле-
Устанобка
ЭМО
РоЗоиав
сила
тока1шА
Рис. 7.4. Жесткая автоматизированная система ЭМО с копиром
моносителя может быть использован копир (рис. 7.4), в быстроперенас-
траиваемой - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (рис. 7.5).
При использовании ПЗУ функции разработки управляющей
программы и ее реализации в управляющие напряжения в процессе
обработки детали разделены.
Датчики
движения
или (и)
таймер
I
заданные
Микроконтроллер
управляющего
напряжения
Л
сигнал
ЛП-П-
Блок
формирования
сигнала
управления
тока L А
\ндрес

Значение
ПЗУ
Рис. 7.5. Быстроперенастраиваемая автоматизированная система ЭМО с ПЗУ
273

На первом этапе на ЭВМ разрабатывается управляющая программа
на конкретную деталь или группу деталей, имеющих одинаковый
профиль и закон изменения качества поверхностного слоя. Эта
программа записывается в ПЗУ. Таким образом, ПЗУ хранит в себе закон
изменения силы тока в зависимости от перемещения инструмента, т.е.
по каждому адресу ПЗУ хранится конкретное значение силы тока.
На втором этапе при ЭМО детали используется ПЗУ. Сигнал от
датчиков движения или (и) таймера поступает в блок формирования
сигнала управления, который запрашиваете постоянном запоминающем
устройстве значение силы тока, соответствующее данному положению
рабочего ролика относительно обрабатываемой поверхности. Это
значение с помощью микроконтроллера преобразуется в управляющее
напряжение для установки ЭМО.
Для обработки детали по другому закону изменения силы тока
необходимо заменить ПЗУ.
Использование копира может оказаться эффективным в
крупносерийном и массовом производствах, постоянного запоминающего
устройства - в среднесерийном и крупносерийном производствах. При
использовании копира датчики движения в зависимости от его
положения вырабатывают сигнал, по которому микроконтроллер
подает сигнал на установку ЭМО и через напряжение изменяет рабочую
силу тока.
Схема гибкой автоматизированной системы управления силой тока
при ЭМО приведена на рис. 7.6. Управление в этой системе
осуществляется через ЭВМ.
Система датчиков представляет набор контрольных датчиков,
позволяющих формировать сигнал положения инструмента относительно
обрабатываемой поверхности детали. Это могут быть датчики линейного
перемещения обрабатывающего ролика, датчик начальной точки
обработки, датчик запуска ЭМО, датчик частоты вращения шпинделя
и др.
Рабочая
сила
тока ItA
Рис. 7.6. Гибкая автоматизированная система ЭМО
Датчики
'
й!
Сигме
полом
ЛЛ
/п
гения
-ППЛ.
поаи
о
Wf
ни
JUL
Установка
ЭМО
/гнал
ja&ne-
я
1 1/
yv
\ п
274
Система датчиков может отсутствовать. Тогда положение
инструмента относительно обрабатываемой поверхности будет определяться
первоначальным его положением, подачей и временем. В этом случае
сигнал управления является функцией времени.
Аналоговый цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для
приема сигналов от датчиков и аналога, преобразования в цифровую
форму и передачи в ЭВМ. ЭВМ обрабатывает цифровые сигналы и в
соответствии с программой определяет значение рабочей силы тока,
которое в цифровом виде подается на цифровой аналоговый
преобразователь (ЦАП). ЦАП преобразует цифровой сигнал в сигнал управления
стойкой ЭМО, т.е. получение управляющего напряжения,
соответствующего заданной силе тока.
Установка ЭМО обеспечивает рабочую силу тока, необходимую для
данного участка обрабатываемой поверхности детали. Закон изменения
силы тока в зависимости oij участков обрабатываемой поверхности
детали может быть заранее задан и храниться в ЭВМ или вычисляться
по соответствующей заданной программе. Во втором случае в ЭВМ
должна вводиться информация о детали, для которой расчетный модуль
в соответствии с программой установит зависимость силы тока от
местоположения инструмента относительно обрабатываемой
поверхности детали.
Данная система является универсальной и быстропереналаживаемой
и с успехом может использоваться в мелкосерийном и серийном
производствах.
Это говорит о том, что в настоящее время имеются широкие
возможности в повышении долговечности деталей машин за счет
автоматизированного технологического обеспечения закономерно
изменяющегося качества обрабатываемой поверхности детали.
Таким образом, результаты, приведенные в данной главе, убедительно
показывают, что технология машиностроения накопила богатейший
материал по повышению качества поверхностного слоя деталей машин
как с помощью существующих традиционных механических методов
обработки, так и за счет их совершенствования и целенаправленной
разработки новых технологических методов.

Глава 8
КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Одним из факторов, сдерживающих стандартизацию всех параметров
качества поверхностного слоя деталей машин, определяющих
эксплуатационные свойства, является необеспеченность их контроля из-за
отсутствия соответствующих измерительных приборов. Попытки
разработки стандарта на физико-химические свойства поверхностного
слоя деталей, предпринятые Госстандартом СССР в начале 80-х гг., по
этой же причине оказались безуспешными.
8.1. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ
Для обеспечения контроля параметров шероховатости необходимо
выполнить следующие процедуры.
1. Выбрать метод контроля с учетом требований чертежа по
номенклатуре и уровню измеряемых параметров в зависимости от формы
и размеров детали, типа и положения поверхностей, параметры
шероховатости которых требуется определить. При выборе метода
контроля шероховатости необходимо исходить из возможностей
проведения измерений непосредственно на детали, без ее разрушения или
выборочно после разрушения детали, что обусловлено серийностью
производства, трудоемкостью изготовления и стабильностью
технологического процесса обработки.
С учетом указанных условий назначают метод измерения параметров
шероховатости поверхностей в лабораторных условиях или в цехе,
выборочно или по всей партии деталей.
2. По результатам анализа, проделанного по п. 1, назначить средства
измерения параметров шероховатости деталей с учетом реальных,
возможностей предприятия (наличии или возможности приобретения
необходимых приборов и материалов).
3. В зависимости от объема и заданной точности измерений выбрать
способ определения значений параметров шероховатости (ручной
обработкой профилограмм, по показаниям прибора, расчетом на ЭВМ,
методом сравнения с эталоном и др.).
276
Шероховатость поверхности контролируют:
измерением параметров приборами;
определением параметров из профилограмм, обработанных вручную;
определением параметров из профилограмм с использованием ЭВМ;
с использованием электронной цифровой приставки к профиломет-
рам;
с использованием автоматизированных систем на базе ЭВМ;
сравнением с образцами.
Современные средства измерения шероховатости делят в основном
на две группы: бесконтактные и контактные. Из бесконтактных средств,
измерения параметров шероховатости наиболее распространены
оптические приборы, действие которых основано на принципах
светового сечения (ПСС), теневого сечения (ПТС), интерференции света
(МИИ) и применения растров (ОРИМ).
Из числа контактных наиболее распространены средства измерения,
получившие название щуповШх, принцип действия которых основан на
ощупывании исследуемой поверхности иглой с весьма малым радиусом
закругления. Щуповые приборы для измерения шероховатости делят на
профилометры, непосредственно показывающие значения измеренных
параметров, и профилографы, записывающие профиль
микронеровностей поверхности. В табл. 8.1 и 8.2 приведены основные средства
измерения и контроля параметров шероховатости (универсального
назначения) с краткими техническими характеристиками [24,35,92,116].
Параметры шероховатости из профилограммы определяют по
следующей методике.
• 1. Снятую профилограмму разделяют по длине на базовые участки.
Длина базовой линии, используемой для выделения неровностей,
характеризующих шероховатость поверхностей, указана конструктором
на чертеже, а если такого указания нет, то выбирают в соответствии с
ГОСТ 2789-73 (приложение 1).
Базовую длину (мм), которую откладывают на профилограмме,
определяют из зависимости:
L-hrT, (8.1)
где /б - базовая длина, указанная на чертеже или назначенная по
ГОСТ 2789-73; уг - горизонтальное увеличение профилограммы.
» 2.- Для каждого базового участка проводят среднюю линию так,
чтобы сумма площадей выступов, расположенных выше средней линии,
была приблизительно равна площади впадин, расположенных ниже
средней линии.
277

8.1. Приборы для измерения параметров шероховатости
Прибор
Профилограф - про-
филометр 201 и 202
Профилограф 253
Профилограф - про-
филометр 252
Профилометр 240
Профилометр 283
Профилометр 296
Приставка к профи-
лометру 201
Приставка к профи-
лометру 201,202, 253
Микроскоп МИС-11
Микроскоп ОРИМ-1
Микроскоп ПТС-1
Параметр
Ra
Ra
Ra
Rp
Rmax
Sm
tp
Ra
Ra
Ra
Ra
Rp
tp
Ra
Rp
Rmax
Sm
tm
Rz, Rmax
Rz, Rmax
S, Sm
Rz, Rmax
S, Sm
Rz, Rmax
S, Sm
Диапазон
измерения,
мкм
0,2-8,0
0,04-2,5
0,12-100
0,1-200
0,1-200
0,3-12500
10-90 %
0,02-3,2
0,02-10
0,02-10
0,02-8,0
0,1-50
10-90%
0,02-8,0
0,10-50
0,10-50
0,3-2500
10-90%
0,8-80
0,8-40
2-2,5
0,4-40
0,2-2500
40-320
20-6300
Базовая
длина, мм
0,08
0,25
0,8
2,5
0,25
0,8
2,5
0,08
0,25
0,8
2,5
0,8
0,8
0,25
0,8
1,5
3,6
0,08
0,25
0,8
0,08
0,25
0,8
2,5
0,8
0,25; 0,8
0,01; 0,03
0,08; 0,25
0,08; 2,5
0,01; 0,03
0,08; 0,25
0,8; 2,5
0,25; 0,8
2,5; 8
Разработчик
или
изготовитель
Завод "Калибр"

Северо-Западный
политехнический институт

(Санкт-Петербург)
Брянский
государственный
технический
университет
ЛОМО
278
Прибор

Микроинтерферометры МИИ-4,
МИИ-5, МИИ-9,
МИИ-10, МИИ-12
Профилометр
170622
Профилограф -
профилометр 171311
Параметр
Rz, Rmax
S, Sm
Ra
Rz
Rp
Rv
Rmax
Ra
Rz
Rmax
Rp *
Sm 1
1 <p ;
Диапазон
измерения,
мкм
0,25-0,8
20-250
0,02-25 ;
0,2-100
0,1-50
0,1-50
0,2-100
0,02-100
0,2-500
0,2-500
0,1-250
3-16
| 0-99 %
Базовая
длина, мм
0,0т; 0,03
0,08; 0,25
0,25; 0,8
2,5
0,08
0,25; 0,8
2,5; 8
Разработчик
или
изготовитель
ЛОМО
Завод "Калибр"
Для облегчения определения положения средней линии рекомендуется
использовать натянутую нити, положение которой на профилограмме
меняют до тех пор, пока не буйет выполнено указанное выше условие.
Оптимальное положение нити, соответствующее средней линии,
фиксируют карандашом и линейкой. Погрешность такого способа
проведения средней линии не превышает 3 %.
• 3. Определяют значение параметра Rz. Для этого в пределах базовой
длины на профилограмме (рис. 8.1) измеряют расстояния, мм, по нормали
от пяти наибольших выступов до средней линии ht и от пяти наибольших
впадин до средней линии А, .
Значение параметра
.. £v£a;Uoo
Rz = 1 Uj tl_J [мкм], (82)
5 Y.
где yb - вертикальное увеличение профилограммы.
• 4. Определяют значение параметра Ra (рис. 8.2). Его обычно
получают по показаниям приборов со стрелочной или цифровой
индикацией. Однако в отдельных случаях, если необходимо проверить
показания профилометра или при его неисправности, параметр Ra можно
определить по профилограмме. Для этого в пределах базовой длины
через интервал Ах = 1...2 мм измеряют (в мм) по нормали от средней
279

oo
О
8.2. Средства измерения и контроля параметров шероховатости, выпускаемые зарубежными фирмами
Фирма, страна
Великобритания
Прибор
1. Профилог-
раф - профило-
метр "Talysurf-1"
2. Профилог-
раф - профило-
метр
"Talysurf-10"
3. Профилог-
раф - профило-
метр "Talysurf-4"
4.
Мини-компьютер "Talyno-
va"
5. Цеховой про-
филограф - про-
филометр
"Surtronik-3"
6. Профилограф
"Talysfer"
Параметр
Ra
Ra, Rq
Rt, Rtm, Rpm
Ra
Hmax
Hmin
Rmax
tp
Ra, Rq,
Rmax, Rt, Rz, Rtm,
Sm
tp
Ra
Rp, Rt, Rtm
tp
Ra
Диапазон
измерения, мкм
0,1-5,0
0,025-50
0,25-500
0,0.5-10
0,2-40
0,2-40
0,4-80
100%
100
10-5000
100%
0-10
0-200
0-100 %
До 10
Увеличение
вертикальное
1000-500000
100-100000
500-10000
500-100000
100-10000
5000-100000
(18 ступеней)
горизонтальное
2-100
4-200
4-100
20; 100
20; 100
50; 200; 2000
оо
Фирма, страна
Великобритания
"Micutoij", Япония
Ролаг (Interstolon)
"Homel- Werke",
Германия
Прибор
7. "Rotary Taly-
suif.
Наибольший радиус
измеряемой
поверхности 38 мм,
минимальный -
0,25мм
8.
Профилограф- профило-
метр "Сурф-
тест-3"
9. Профилометр
РМ-01
10. Основные
части
П.
Дополнительные блоки
Н, Rmc, Rs, Rp,
tp
12.
Профилометр П5
13.
Профилометр ПЗ
Параметр
Ra
Ra, Rt
е
Ra
Rt, Rmax
Rz, Ra
Wt
Дополнительные
параметры - кривая
опорной поверхности
Ra
Rt
Rmax
Ra
Rz
Диапазон
измерения, мкм
Такие же, как
"Talysurf 10" или
"Talysurf 4"
0,02-100
llir - "— — "
0,1-10
Для параметров
шероховатости
0,1-100;
для волнистости
1-500
Для параметров
• шероховатости
0,1-100;
для волнистости
1-500
0,3-10
1-30
1-30
0,3-10
1-30
Увеличение
вертикальное
500-5000
горизонтальное
2, 10, 20, 100
Данные отсутствуют
Данные отсутствуют
20-10000
20^-10000
20-10000
20-10000 -
0,5-1250
0,5-1250
0,5-1250
0,5-1250

оо
Фирма, страна
"Horael - Werke",
Германия
"Perten", Германия
Прибор
14. Профило-
метр - профи-
лограф "Homel-
Tester"
15. Перт-О-метр
Параметр
Rt
Rmax
Ra, Rz
Rt, Wt
Диапазон
измерения, мкм
0,1-100
2,5-100
Увеличение
вертикальное
20-10000
400-100000
горизонтальное
0,5-1250
0,8-20000
Продолжение табл. 8.2
Фирма, страна
Великобритания
Прибор
1. Профило-
граф - про-
филометр
"Talysurf-l"
2. Профило-
граф - про-
филометр
"Taiysurf-10"
3. Профило-
граф - про-
филометр
"Talysurf-4"
Базовая
длина, мм
0,08; 0,25;
0,8; 2,5;
8,0
0,8-8,0
0,25-2,5
Длина трассы
ощупывания, мм
2,5; 8
0,56
1,75;
5,5; 10; 32
1,9; 3,8;
7,6; 11
Ширина
записи, мм
60
50
50
Погрешность,
%
±2 полного
значения по
шкале
±3 значения
измеряемой
величины
±3
Примечание
-
Фирма, страна
Великобритания
"Micutoij",
Япония
Прибор
4.
Мини-компьютер "Taly-
nova"
5. Цеховой про-
фиЛограф - про-
филометр
"Surtronilc-3"
6. Профилограф
"Talysfer"
7. "Rotary Taly-
surf'.
Наибольший радиус
измеряемой
поверхности 38 мм,
минимальный -
0,25 мм
8.
Профилограф- профило-
метр "Сурф-
тест-3"
Базовая
длина, мм
0,25-2,5
0,25-2,5
0,25-0,8
0,8-2,5
0,8-2,5 мм
Длина трассы
ощупывания, мм
3,8; 7,6
0,5; 1,75;
4,5; гЗ;»Ю
31 мм от центра с
индикацией
0,02 мм
0,64; 2,0;
6,4; 20
2-50
Ширина
записи, мм
50
« л — «
50
Как у
"Talys. 10"
или
"Talys. 4"
40
Погрешность,
%
±2 от верхнего
диапазона
шкалы
±3 текущего
значения в
режиме профило-
метра при
записи
±3 % текущего
значения
То же
+ 3
±3
±2
Примечание
При одном
проходе
преобразователя
определить значения
всех параметров
Отличается
исключительной
простотой
операций
-
Угол поворота

преобразователя 200°,
отклонение среднего
радиуса не
более 0,127 мкм
-

I
о
X
е-
о
С
В
flifil
iHill
§
II
I
3
I
i
в
X
■е-
о —
о. о
Os 0-
А
о я
S
±g
X Ч
Ч «О
° и
-5
Q.
ОС
Ж S*
о
ч
Is
С
if
о
ч
S
28
=1
I
5f
I
fi
' s
§ *
I
I
я
3
284
fff д.чг— Локальный
Средняя линия т
М
Рис. 8.1. Профилограмма поверхности с обозначением элементов параметров шероховатости
линии расстояния до средней линии профилограммы (у^у^, у^ ... yt
у J без учета их знака. Значение параметра, мкм, ,.
Ra
-Е Ы—■
"(.1 Y,
(8.3)
где л - число измерений ординату, (значения yt = 0 также учитываются);
число ординат всегда нечетнсГе, п = (/б у^&х) + 1.
С уменьшением интервала Ах точность определения Ra возрастает.
* 5. Определяют значение параметра Rrnax. Для этого на базовой
длине через наибольший выступ параллельно средней линии проводят
линию выступов, а через наименьшую впадину - линию впадин. Затем
измеряют расстояние Rrnax', мм, по нормали между линией выступов и
линией впадин и определяют параметр Rrnax = Rrnax' 1000/у, мкм.
Наибольшая высота неровностей
Рис. 8.2. Профилограмма поверхности с указанием элементов для расчета положения средней
линии
285

Rmax = Rp + Rv,
где Rp - максимальная высота выступа; Rv - максимальная глубина
впадины.
• 6. Определяют значение параметра S. Для этого в пределах базовой
длины измеряют все шаги неровностей по вершинам локальных выступов
(S|, S2,... S,- S„) или подсчитывают число локальных выступов п' и
средний шаг неровностей по вершинам находят по формуле
'Es,
s =
N'yr n'Y,
-[мм],
(8.4)
где N' - число шагов по вершинам на базовой длине L.
• 7. Определяют параметр Sm. Для этого измеряют все шаги
неровностей по средней линии (Shi,, Sm2,..., Sm,,..., Sm„) и их число
пересечений профиля шероховатости со средней линией (см. рис. 8.1)
Sm
ESm,
/-1 2'L
[мм],
(8.5)
где N- число шагов по средней линии; п - число пересечений профиля
шероховатости со средней линией на базовом участке L.
• 8. Определяют относительную опорную длину профиля на заданных
уровнях tp (рис. 8.3). Для этого выбирают уровень из ряда (5; 10; 15; 20;
25; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90) в % от Rmax.
Линия Выступоё О.
■
о
-6
Ос
(О
а
с?
1
\
'
1
Y
/3"*"
Кдг-ЬгкИ!
Г'Л
fob
f$r£>22
СГ
/к
кл
Хш
^•^
Ьг]Ч/Л
л/УА VA 1/УА
щ ш\ т у/л т \
щщщШт
ЩМШ£%//ЛУ//Л VM'A
уУ/Ш/Шу/уШ/уШу?//, \
Линия бпадин .
1 :
Рис. 8.3. Профилограмма поверхности с указанием элементов для расчета параметров на ЭВМ
286
На профилограмме измеряют величину R'max и определяют
абсолютное значение уровня р, = р( Rmax'/lOO, где р( - заданный
уровень, % от Rmax (5; 10; 15; 20 и т.д.). От линии выступов откладывают
абсолютное значение Р\ первого уровня и на этом уровне проводят
линию сечения, параллельную средней линии. Затем от линии выступов
откладывают абсолютное значение рг второго уровня и аналогично
проводят вторую линию сечения и т.д.
В пределах базовой длины в каждом сечении определяют опорную
длину профиля rip, равную сумме длин отрезков by, отсекаемых в
материале линией сечения, т.е.
ЛР
tv (8-6)
+ 62,
Например, Г) Р| =Ьи +*12"Н*13+ - + *№Т1Р2=:*21 + *22 + ^23 + "• +
i J
В пределах базовой длины в каждом сечении определяют
соответствующее значение относительной опорной длины профиля tp, равное
отношению опорной длины т|офиля тур к базовой длине, т.е.
tp, = (т)р/Ь)-100%. (8.7)
Чаще задают на чертеже относительную длину опорной линии
профиля шероховатости на уровне средней линии
tm = ИГ Tim/L 100%. (8.8)
Определив tm, можно, не прибегая к графическим построениям и
расчетам, по приведенной выше методике найти tm на любом уровне:
выше средней линии
ниже средней линии
ISORz-tmRp
tp «= 100-tm
Rmax(lOO-p)
50 Ra
(8.10)
[l00(Rmax-Rp)J
Параметры шероховатости из профилограмм с использованием ЭВМ
и приборов, указанных в табл. 8.1 и 8.2, определяют в следующей
последовательности:
287

- с исследуемой поверхности снимают профилограммы приборами
или записывают ординаты профиля на перфоленту или магнитную ленту;
- определяют базовый участок, который делят на 80 равных
промежутков;
- снимают ординаты вручную или автоматически;
- исходные данные вводят в ЭВМ, где в соответствии с
разработанными алгоритмами и программой рассчитываются все необходимые
параметры шероховатости [92].
Для непосредственного измерения стандартизованных параметров
шероховатости с использованием старых профилометров созданы
различные электронные приставки. Одна из таких электронных
цифровых приставок к широко распространенным профилогра-
фам-профилометрам мод. 201, мод. 202 и мод. 253 работает в режиме
профилометрирования и измеряет высоту сглаживания Rp (в мкм),
глубину сглаживания (расстояние от средней линии до линии впадин)
Rv (в мкм), относительную длину опорной линии на уровне средней
линии tm (в %); число выступов и; параметр Ra определяют по
показывающему прибору профилометра.
Принцип действия прибора заключается в следующем (рис. 8.4)1*. От
электронного блока профилометра исследуемый сигнал поступает на
формирующее устройство ФУ\. Первый импульс с ФУ\ передним
фронтом опрокидывает триггер Тр с раздельными входами, который
перепадом напряжения запускает электронные реле ЭР, и ЭР2. Реле ЭР,
служит для отсечки сигнала по времени, пропорциональному трассе
измерения, а ЭР2 формирует импульс, длительность которого
пропорциональна базовой длине. В момент срабатывания ЭР, входной сигнал через
делитель Д поступает на один из входов нуль-органа НО. Разбаланс нуль-
органа вызывает срабатывание ключа К, импульс от которого через
схему #| запускает генератор импульсов ГИХ. Импульс от ключа К
проходит через схему Hi только в случае совпадения его с импульсом,
поступившим от ЭР2. Число импульсов подсчитывается счетчиком СЧ|
до момента равенства измеряемого и ступенчатого напряжения,
вырабатываемого преобразователем код-напряжения ПКН, так как в
момент баланса НО ключ К возвращается в исходное состояние и
генератор прекращает работу.
Таким образом, в счетчике Сч{ в двоичном коде фиксируется
наибольшее амплитудное значение исследуемого сигнала на базовой
длине, т.е. параметры Rp или Rv. Одновременно входной сигнал
преобразуется формирующим устройством ФУХ в прямоугольные
'Электронно-цифровая приставка разработана И.Л. Пыриковым.
288
А Л .
'V/V
Вход
Тр
—иг
■Ыа
№
/215
АЛЛ
П58£Гц
г316.7Гц
4553jni
(Ярое
л.
Т.
Шпули _|_
г
А 1 переписи ■
ПТП ' ни . ГТ~1 И" . ГГ~1 Перепись
Нтг _Т_ -ПВ*2В *ЯВ-50В*Ю0В
!Ев« и—га ,t tTTi г;
ЮВ Ьаок питания
ЮОВ
IHMQ
Ьаок питания
Рис. 8.4. Схема цифровой приставки к профилометру - профилографу мод. 201
импульсы, сумма длительностей которых на временном интервале,
задаваемом реле ЭРХ, пропорциональна опорной длине профиля на
уровне средней линии. Схема И2 открывается каждым импульсом,
поступившим в ФУ2, и генератор ГИ2 пропускает импульсы на вход
счетчика Счъ. Полученный в счетчике цифровой код числа выражает
относительную опорную длину профиля tm в процентах. Это
преобразование осуществляется за счет того, что в соответствии с выбранной
трассой измерения устанавливается такая частота импульсов генератора
ГИ2, чтобы их число на временном интервале, пропорциональном трассе,
было равно 10 000.
Для подсчета числа п выступов на трассе измерения импульсы с
выхода ФУ2 через инерционное звено-формирователь ИЗФ поступают
на вход счетчика Сч2 и фиксируется в нем. Инерционное звено
необходимо для подавления импульсов помех. Эти импульсы появляются на
289

выходе вследствие того, что исследуемый сигнал содержит полезную
составляющую и помеху, которая вызывается наличием субмикрошерохо-
ватости и пульсацией питающего напряжения.
После окончания цикла измерения цифровые коды чисел, хранящиеся
в счетчиках Счх, Сч2, Сч3 с помощью устройств переписи УП1 и УП2
дешифратора последовательно выводятся на цифровой индикатор. Перед
каждым измерением все счетчики и триггер устанавливают в исходное
положение подачей положительного импульса от формирователя
импульса сброса ФИС.
Параметр Rv определяют так же, как и параметр Rp после инвенсиро-
вания сигнала профилометра. Погрешность измерений: Rp, Rv - ±5 %,
tp - ±2 %, n - ±1 знак. Остальные параметры шероховатости можно
определить по формулам Rmax = Rp + Rv; Sm = /б/и.
Для контроля параметров шероховатости поверхностей сложной
формы в труднодоступных местах, а также при отсутствии цеховых
средств измерения применяют так называемый метод слепков. Сущность
метода заключается в снятии слепков с поверхностей для последующего
измерения неровностей поверхностей этих слепков.
Для снятия слепков используют различные материалы. Лучшим
материалом является масляно-гуттаперчевая масса, состоящая из 47 %
гуттаперчи, 40 % масла и 13 % песка. Массу варят в масле при
температуре ниже точки кипения масла: сначала варится пек в масле, затем
осаждаются имеющиеся в пеке песчинки, массу сливают и варят с
гуттаперчей. Затем ее нарезают кусочками примерно по 10 г, нагревают
в водяной ванне при температуре 85... 100 °С. Испытываемую
поверхность счищают бензином. Толщина слепка должна быть не менее 4 мм.
Применяют также восковые сплавы, например, смесь из 40 г
пчелиного воска, 6 г терпентина и 1 г графита. Испытываемую
поверхность предварительно смачивают мыльной водой, накладывают
нагретую смесь, через 10...20 мин она затвердевает и довольно хорошо
отделяется, воспроизводя шероховатость измеряемой поверхности.
Для снятия слепков с криволинейных поверхностей может быть
использована кинопленка, растворенная в ацетоне. Шероховатость
поверхности слепка можно измерять с помощью оптически* или
ощупываемых приборов, приведенных в табл. 8.1 и табл. 8.2.
Для относительной качественной оценки шероховатости
обработанной поверхности на рабочем месте могут быть использованы образцы
шероховатости. Сравнение контролируемой поверхности с поверхностью
рабочего образца или образцовой детали является наиболее простым и
экономичным методом контроля шероховатости.
Поверхности сравнивают: невооруженным глазом, с помощью
увеличительной лупы, сравнительным микроскопом, специальными
290
средствами осмотра внутренних поверхностей, комбинацией
перечисленных способов с ощупыванием поверхностей пальцем, ногтем, тонкой
металлической пластиной и т.п.
При нормальной остроте зрения рекомендуется сравнение
невооруженным глазом поверхностей с Ra от 80 до 2,5 мкм или Rz от 320 до
10 мкм. Для поверхностей с малыми высотами неровностей (Ra <.
< 0,16 мкм, Rz s 0,8 мкм) должна быть предусмотрена обязательная
выборочная проверка (измерение) на приборах. В этом случае при
невозможности непосредственного или с помощью слепков измерения
шероховатости допускается разрушение детали. Если разрушение детали
экономически нецелесообразно, то параметры шероховатости измеряют
на упрощенных образцах - свидетелях, полученных путем имитирования
контролируемой технологической операции.
Для повышения достоверности данных при контроле шероховатости
методом сравнения с образцами (рабочими) или образцовыми деталями
необходимо выполнять следующие условия:
- образец должен быть изготовлен из того же материала, что и
контролируемая деталь; ь.
- способы обработки поверхностей образца и контролируемой детали,
а также их геометрические формы должны быть одинаковыми;
- контрольные поверхности образцов, изготовленных самими
предприятиями, должны удовлетворять требованиям ГОСТ 9378-93 на
образцы шероховатости;
- высотные параметры шероховатости контрольных поверхностей
образцовых деталей должны соответствовать средним значениям
диапазонов, заданных в документации;
- контрольная поверхность образцов и образцовых деталей должна
иметь равномерную обработку, одинаковый цвет и блеск, не допускается
наличие трещин, волосовин, коррозии и прочих дефектов;
- условия хранения и эксплуатации образцов и образцовых деталей
должны обеспечивать сохранение их внешнего вида и первоначального
состояния контрольных поверхностей;
- образцы шероховатости и образцовые детали должны быть
аттестованы и проверены в органах метрологической службы.
Образцовые детали целесообразно применять в следующих случаях:
- проверяемые детали имеют сложную форму (криволинейные
очертания, закругления, переходные кривые);
291

- размеры контролируемой детали резко отличаются от размеров
стандартных образцов;
- цех или производственный участок имеет небольшую номенклатуру
выпускаемых деталей ответственного назначения;
- отсутствуют стандартные образцы из материала и видов обработки,
соответствующих контролируемой детали (неметаллические материалы,
литье, штамповка, электрообработка и т.п.);
- контролируемые детали малых размеров и т.п.
При контроле параметров шероховатости поверхностей
крупногабаритных деталей пользоваться образцовой деталью практически
невозможно. В этом случае образцовая деталь может представлять собой
отдельные элементы, вырезанные из целой детали, забракованной по
другим параметрам (признакам).
Образцы шероховатости поверхности изготавливают в соответствии
с требованиями ГОСТ 9378-93 и поверяют по ГОСТ 28992-91.
Попытки многих предприятий и организаций по изготовлению
образцов шероховатости закончились безуспешно, так как они не
выдерживали поверки. Это объясняется отсутствием на этих
предприятиях научного и практического опыта по технологическому управлению
параметрами шероховатости поверхностей деталей машин. Успешно эту
проблему решаютв Брянском государственном техническом
университете (бывший БИТМ), где сосредоточен большой научный потенциал,
занимающийся решением проблемы качества поверхностного слоя, в том
числе и шероховатостью. Образцами шероховатости, изготовленными
на кафедре "Автоматизированные технологические системы" (бывшая
кафедра "Металлорежущие станки и инструменты"), оснащены многие
предприятия России, Украины и Белоруссии.
8.2. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНИСТОСТИ
Параметры волнистости поверхности могут быть определены теми
же методами и средствами, что и параметры шероховатости, причем
профилометры "Talysurf", "Homel - Tester" и "Pert - Metr" имеют
соответствующие электрические фильтры, позволяющие при
переключении переходить с измерения параметров шероховатости на измерение
параметров волнистости или записывать волнограммы на тех же трассах.
Отечественные профилометры также могут быть использованы для
измерения параметров волнистости, но с применением механического
фильтра. В качестве такого фильтра рекомендуется применять щуп
радиусом г = 15 мм, увеличивая отсечку шага, как минимум, в 4 раза по
сравнению с измерением параметров шероховатости. Параметры
292
Рис. 8.5. Специальные опоры для записи волнограмм в осевом направлении с наружной (в)
и внутренней (в) цилиндрической поверхности:
/ - опора; 2 - регулировочный винт; 3 - корпус датчика; 4 - деталь
Рис. 8.6. Специальные опоры для записи волнограмм в окружном направлении с наружной
(я) и внутренней (б) цилиндрической Поверхности:
/ - опора; 2 - регулировочный винт;".? - корпус датчика; 4 - деталь
Рис. 8.7. Приспособление для записи волнограмм в окружном направлении с внутренней (а)
и наружной (б) цилиндрической поверхности
волнистости с успехом могут быть определены и из волнограмм,
записанных на профилографах и кругомерах мод. 218 и мод. 255. Схемы
и виды специальных опор для записи волнограмм на профилографах и
используемые при этом приспособления приведены на рис. 8.5 - рис. 8.7.
Кругломеры мод. 218 и мод. 255 имеют электрические фильтры.
Размеры проверяемых на кругломерах деталей ограничены (табл. 8.3).
Эти кругломеры имеют приспособления для автоматического
центрирования последующих измеряемых деталей. Менее точными
являются кругломеры мод. ВЕ-20А и ВЕ-37.
293

8.3. Габаритные размеры деталей, измеряемых на кругомерах
Параметр
Диаметр поверхности, мм:
наружный
внутренний
Высота, мм
Масса, кг
Мод. 218
0,5-300
3-300
350
50
Мод. 255
0,5-350
1,5-350
400
80
Наиболее известен кругломер "Talyrond", выпущенный фирмой
"Rank Taylor Hobson" (Великобритания) в нескольких модификациях.
К прибору изготовляют вычислительную приставку, позволяющую
наносить на диаграммный диск базовую окружность или эллипс, размеры
которых вычислены по методу наименьших квадратов, и некоторые
устройства, расширяющие область применения кругломера. К ним
относятся следующие:
- механизм подъема шпинделя, облегчающий выверку контактируе-
мой детали относительно вертикального перемещения шпинделя и
позволяющий фиксировать осевые координаты проверяемых поперечных
сечений с погрешностью не более 1,25 мкм;
- регулируемый предварительный усилитель для изменения
радиального увеличения от 0,5 до 2х, что расширяет диапазон увеличений до
20 000х;
- переключатель, позволяющий записывать отклонение от круглости
в прямоугольных координатах с помощью самописца профилографа-
профилрметра "Talysurf'. Размеры контролируемых деталей: наружный
и внутренний диаметр - до 350 мм, высота - до 700 мм.
Кругломеры "Formtester" фирмы "Perter" с прибором для записи
позволяют записывать круглограммы с шириной поля 40 мм. Их
особенность в том, что при записи круглограммы не требуется точно
центрировать деталь на предметном столе, так как эксцентриситет
исключается из записи самим прибором. Американская фирма "Bendyks"
выпускает кругломеры: "Indy-ron", "Rondy-gang" и "Prodakt-O-ron".
Кругломер "Indy-ron" позволяет записывать круглограммы в полярных
координатах с увеличением от 400 до 50000х на диаграммных дисках с
шириной поля 50 мм. Прибор имеет две ощупывающие головки, которые
могут работать одновременно или последовательно. Кругломер "Prodakt-
O-ron" представляет собой модификацию "Indy-ron" предназначенную
для использования в цехе. Кругломер "Rondy-gang" позволяет записывать
круглограммы с увеличением от 400 до 20000х без снятия контролируемой
детали со станка.
294
8.3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ
И ВОЛНИСТОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА БАЗЕ ЭВМ
Современные отечественные приборы не позволяют измерять
параметры волнистости, а также хранить информацию о профилях и
геометрических параметрах шероховатости. Для устранения этих
недостатков в Брянском государственном техническом университете
разработаны и реализованы измерительные системы для шероховатости
и волнистости поверхностей на базе ЭВМ.
Так, измерительная система "СКИФ"Х) представляет собой
измерительно-вычислительный комплекс, предназначенный для
автоматизации определения параметров шероховатости и волнистости
поверхностей деталей машин.
Основные технические характеристики системы "СКИФ"
Число определяемых параметров шероховатости 18
В том числе по ГОСТ 2789-73 ...!... 5
Число определяемых параметров волнистости 18
Наибольшая длина обрабатываемого участка, мм, при
скорости перемещения датчиков: ь
0,2 ширины г 1
1,0 мм/мин * 5
10 мм/мин ; • - 40
Шаг дискретизации, мкм, при скорости перемешающихся датчиков:
0,2 мм/мин °.5
1,0 мм/мин '.. 2,5
10 мм/мин • 25
Разрешающая способность, % от Rmax 0,1
Время расчета параметров, мин, не более 3
Среднее время определения параметров поверхности, мин 6
Собственная погрешность согласующего устройства, % не более 3
В систему "СКИФ" входят: ЭВМ; профилограф - профилометр мод.
201 завода "Калибр"; согласующее устройство; специальное программное
обеспечение. ЭВМ и профилограф являются серийно выпускаемыми
изделиями и не требуют никакой модификации для использования их в
системе. Для работы в системе "СКИФ" ЭВМ должна иметь емкость
оперативной памяти не менее 64 Кбайт, таймер, устройство печати,
дисплей, накопитель на магнитной ленте и устройство выврда на
перфоленту. Наличие двух последних устройств необязательно.
Согласующее устройство является нестандартным изделием и
содержит в себе схему аналого-цифрового преобразователя, предназна-
''Разработана А.А. Кельнером и В.П. Федоровым.
295

ченную для преобразования электрического напряжения, снимаемого
с профилографа и содержащего информацию об исследуемой
поверхности, в двоичный код и схему управления, позволяющую выдать на ЭВМ
команду начала и конца измерений. Согласующее устройство выполнено
в виде печатной платы типа Б, размером 235х 140х 12,5 мм; его соединяют
через интерфейс с процессором ЭВМ или согласователем ввода - вывода.
С помощью гибкого кабеля длиной до 20 м согласующее устройство
соединяют с профилографом. Взаимодействие экспериментатора с
системой "СКИФ" осуществляется в режиме диалога с использованием
дисплея и специальных директив. Программное обеспечение системы
"СКИФ" работает под управлением операционной системы ДОС АСПО.
Система может быть выполнена на базе ЭВМ профилографа других
моделей. Кроме возможностей расчета параметров шероховатости и
волнистости, в системе "СКИФ" имеются средства для контроля
корректности действий оператора. Программное обеспечение системы
позволяет организовать базу данных на магнитной ленте, куда
помещаются ординаты всех точек профиля исследуемых поверхностей.
Это дает возможность дополнительно обрабатывать записанную
информацию. Использование базы данных позволяет обработать
совместно несколько записанных в разное время состояний поверхностей.
В системе предусмотрен вывод ординат точек профиля на перфоленту.
Система "СКИФ" может быть протарирована по эталону шероховатости.
При этом исключаются программным путем все систематические
погрешности измерительно-преобразовательного тракта и существенно
снижаются требования к качеству регулирования профилометра.
Во время записи профиля исследуемой поверхности через равные
промежутки времени под управлением ЭВМ измеряется напряжение
электрического сигнала на выходе профилометра. Напряжение,
соответствующее высоте профиля в данный момент, преобразуется в
двоичный код и заносится в память ЭВМ.
Таким образом, по окончании записи в памяти ЭВМ имеются в
соответствующем масштабе высоты равностоящих точек профиля.
Экспериментатор задает системе границы интересующего его участка
записанной поверхности, и система рассчитывает параметры
шероховатости (волнистости) этого участка. Полученные характеристики
выводятся на бумагу в виде протокола расчета. "СКИФ" позволяет
рассчитать параметры различных, в том числе и перекрывающихся
участков профиля без его повторной записи.
296
Прорило-
гра<р
rtspty
1
АЦП
мШш.
г
ЭВМ
Рис. 8.8. Схема измерительной системы
АТС-1:
/ - аналоговый сигнал с профилографа;
2 - преобразованный сигнал с АЦП
Автоматизированная система АТС1) включает в себя профилограф
(профилометр), АЦП и ЭВМ (рис. 8.8). Связь между профилографом и
ЭВМ реализована через универсальный адаптер NVL03 отечественного
производства.
Базовое программное обеспечение (ПО) представлено на языках СИ
и частично на ассемблере, что облегчает разработку прикладных
программ. Базовое ПО осуществляет поиск платы адаптера в адресном
пространстве компьютера, установку канала и режима запуска платы,
считывание информации из ^анала в буфер, автоматическую установку
вертикального увеличения И[Трассы интегрирования. Практически все
эти задачи решаются отдельными модулями, оформленными в
библиотеку. Такое построение обеспечивает удобную реализацию прикладных
программ, которые работают фактически с буферными регистрами платы
в неявном виде. Эти буферные регистры содержат числа, полученные в
результате преобразования аналогового сигнала в цифровой.
Минимальному напряжению (-5 В) соответствует число 0, максимальному (+5 В) -
1024. Любые промежуточные значения сигнала преобразуются в числа,
пропорциональные имеющимся диапазонам входа и выхода.
Прикладное программное обеспечение решает следующие задачи:
- диалоговый режим работы (текстовый и графический);
- синхронизированное во времени считывания информации из
буферных регистров в массивы;
- запись этих массивов в файл;
- параллельный и последовательный вывод измеряемых сигналов;
- вывод результатов замеров в табличном и графическом виде на
печать;
- математическую обработку результатов замеров.
Программа имеет удобную оболочку, включающую систему меню,
использование функциональных клавиш, "мыши" и т.п. Значения
сигналов из канала сохраняется в одном динамически выделенном
массиве - буфере. Содержимое массива передается на отображение и
может быть переписано в файл. Запись в файл выполняется в простейшей
форме в виде двойной строки.
^Разработана А.В. Хандожко и А.Н. Орловым.
297
/

По завершению процесса замера массив - буфер можно использовать
для всех необходимых манипуляций - просмотра шероховатости,
волнистости и т.п. Предусмотрена возможность сохранения графического
образа экрана средствами операционной системы с последующей
обработкой изображения растровыми графическими редакторами.
Программа предусматривает запись результатов измерений на
внешние носители и вывод на печатающее устройство и
графопостроитель.
Программа позволяет определить параметры шероховатости:
Ra - среднее арифметическое отклонение профиля, мкм;
Rmax - максимальная высота профиля, мкм;
Rz - средняя высота неровностей профиля, мкм;
Rp - высота сглаживания профиля, мкм;
Rv - глубина сглаживания профиля, мкм;
Sm - средний шаг неровностей профиля, мм;
tp - относительная длина опорной линии профиля на уровне р,
%;
tm - относительная длина опорной линии профиля на уровне
средней линии и аналогичные параметры волнистости.
Модульное построение программы обеспечивает простое изменение
конфигурации программы и наращивание ее возможностей. Управление
профилометром происходит посредством выдачи управляющего кода
по адресу в щите данных ЭВМ. Алгоритм настройки профилометра
представлен на рис. 8.9.
В начале функции съема данных инициируется структура заголовка
файла данных ранее введенными значениями, установленными на
профилометре. Далее идет инициализация программного запуска АЦП,
при котором независимо от оборудования программа будет снимать
данные с канала. Производится установка заданного канала считывания
текущего времени в секундах (до следующего процесса считывания) для
последующего расчета времени протяжки. Рассчитывается количество
точек считывания и происходит инициализация массива данных. Далее
начинается цикл по съему данных с канала, в котором происходит
временная задержка, зависящая от скорости протягивания. По окончании
цикла повторно считывается время и рассчитывается время протяжки,
как разница времени после цикла и до начала следующего. На этом
процедура съема данных заканчивается; алгоритм представлен на
рис. 8.10.
После считывания с профилометра результаты можно сохранить
посредством модуля записи данных в файл.
Отображение на экране производится посредством функций языка
программирования. В начале процедуры отображения находятся
298
( Начало j
Выбор скорости датчика
Vg = 0,6 diskreta* 5млс
Va = б disk r eta m 50mac
Vd = SOdiskreb- 500млс
Выбор Вертикального увеличения
hightup
Выбор трасс интегрирования и ик
количество lentr, volumetr*
Настроенные параметрыустанаб -
л и баются на профилометре
( Конец )
( Начало J
Запелнемие структуры заголовка файла
Ванными настройки системы
инициализация АЦП'и программного запуска
инициализация установленного канала
Считывание с ЭВМ текущего бремени
6 секундах il
Расчет количества точек считывания
MAXBUF= (l»ntr«volum«tr*a 6)» 60000
spe*d«dlskreto
Рис. 8.9. Алгоритм настройки профилометра
Рис. 8.10. Алгоритм считывания данных •*
с канала АЦП в буфер памяти
Считывание ванных с канала
Временная заОержка на величину ditkreta
Считывание текущего бремени
о секундах tz
Расчет времени протяжки
i-t2-tl
СКонец J
минимальные и максимальные
значения считанных данных,
после чего рассчитывается
масштабный коэффициент по
вертикали, а горизонтальный задается
единицей. Затем корректируется
значение коэффициента
перевода снятых данных (в мкм), который был получен в модуле калибровки.
Алгоритм приведен на рис. 8.11.
Далее происходит вывод профиля шероховатости или волнистости
на экран с возможностью сдвижки изображения по горизонтали. В
зависимости от режима работы (стандартный или ручной) производится
расчет параметров шероховатости или волнистости, а затем запись их
в файл или вывод на принтер, плоттер. Оболочка программного
299

{ Начало J
измерение (эталона) oepasua
с параметром Пана
Нахождение максимального и минимального
значения Sgypepe данных
maxdoto: mindaia
L
В&од но диалоговой панели Rmax $ мим
7
Расчет реального коэффициента /(ynonepeSogy
считанных значений $ реальные мк/ч
Ну » Umax (maxdata -mindat)
I Вы/од прориля эталона на экран I
| 1
( Конец j
обеспечения реализована в
диалоговом режиме с помощью ряда
меню и диалоговых окон. Для
измерения параметров
волнистости ее ощупывание
производится с использованием
специального сферического щупа с
радиусом 15 мм по длине 20 /б.
Радиус щупа рассчитывался
исходя из механической
фильтрации шероховатости и полного
ощупывания впадин волн. Длина
трассы интегрирования для
измерения параметров
волнистости определяется исходя из
необходимости нахождения на ней
не менее пяти выступов и
впадин.
Применение таких
автоматизированных систем позволяет
повысить производительность
измерений в 20-40 раз по
сравнению с существующими методами
машинной обработки профилог-
рамм и волнограмм, содержащими этап ручной подготовки и ввода в
ЭВМ исходных данных. Они полностью исключают ручные операции
по передаче и обработке информации при определении параметров
шероховатости и волнистости поверхностей деталей машин.
8.4, КОНТРОЛЬ МАКРООТКЛОНЕНИЯ
Измерение и оценку макроотклонения [37] поверхностей нужно
производить на нормируемом участке длины, а влияние параметров
шероховатости поверхности должно быть исключено выбором радиуса
измерительного наконечника или применением частотных фильтров в
цепи преобразования и регистрации измерительного сигнала.
Погрешности, допускаемые при измерении отклонений формы и расположения
поверхностей, оговорены ГОСТ 28187-89.
При измерении отклонений от прямолинейности можно использовать
технические средства с отсчетным устройством. За отклонение от
прямолинейности принимают алгебраическую разность между
наибольшим и наименьшим показаниями. Кроме этого, можно
использовать профилограмму измеренного профиля, которую обрабаты-
Рис. 8.11. Алгоритм калибровки
300
вают по специальной методике. Измерение этих отклонений приведены
в табл. 8.4. Некоторые указанные в таблице методы имеют свои
разновидности, а иногда более узкую направленность.
8.4. Методы измерения отклонений от прямолинейности
Техническое средство
Прибор с прецизионным
прямолинейным
перемещением
Координатно-из-
мерительная машина
Поверочная линейка и
измерительная головка
Компаратор с
несколькими измерительными
головками
Микроскоп и натянутая
струна
Зрительная труба и
визирная марка
Фотоэлектрический
детектор и лазер
Оптическая линейка
Гидростатические уровни
Лазерный интерферометр
Лекальная линейка
Обозначение
метода
2.1.1-1/ММС
2.1.1-3/ММС
2.I.1-4/MMC
*
2.1.1г5.1/ММС
»
2.1.1^6/ММС
2.1.1-7.1/ММС
2.1.1-7.2/ММС
2.1.1-8/ММС
2.1.1-9.1/ММС
2.1.1-10.3/ММС
2.1.1-11/ММС
Особенность метода
Сравнение профиля детали с
траекторией точного перемещения
Измеренные данные вводятся в
ЭВМ для математической
обработки
Измерение расстояния между
профилем детали и линейкой
Несколько измерительных и
предварительно настроенных головок
дают показания в нескольких
точках
Стойка с микроскопом
перемещается по детали на расстояние до
струны
Перемещение марки по детали с
измерением ее отклонений
относительно прямолинейного луча света
Аналогичен предыдущему, но труба
заменена лазером, а марка -
детектором
Мерой прямолинейности является
оптическая ось линейки
Показатель прямолинейности -
уровень жидкости. Использование
двух одинаковых уровней
Измерение наклонов отдельных
участков профиля по лазерному
лучу
Оценивают просвет между
линейкой и деталью
При измерении отклонений от плоскостности используют в основном
дискретные методы с получением информации по отдельным точкам
поверхности. Число точек регламентировано. Измерительные приборы
301

должны содержать качающиеся сферические наконечники. Измеренная
поверхность представляет собой математическую модель, т.е.
совокупность значений расстояний от базовой плоскости до измеряемой в
закодированных точках. Распространенные методы измерений в
соответствии с ММС представлены в табл. 8.5.
8.5. Методы измерений отклонений от плоскостности
Техническое средство
Любое средство
измерения отклонения от
прямолинейности
Двухопорный
измерительный мостик и уровень
Трехкоординатная
измерительная машина
Поверочная линейка и
концевые меры длины
Поверочная линейка и
измерительная
Линейка - компаратор
Зрительная труба, уровень
и визирная марка
Гидравлический уровень и
уравнительный сосуд
Компаратор
Компаратор
плоскостности с аэростатической
опорой
Плоскопараллельная
стеклянная пластина
Обозначение
метода
2.1.-1.1 /ММС
2.2-1.2/ММС
2.2-2/ММС
2.2-3.1/ММС
2.2-3.2/ММС
2.2-4/ММС
2.2-5.1/ММС
2.2-б/ММС
2.2-7.1/ММС
2.2-7.2/ММС
2.2-8/ММС
Особенность метода
Данные измерений в продольных
поперечных и диагональных
сечениях приводятся к общей
плоскости
Модель поверхности определяется
по показаниям уровня,
переставляемого в различных направлениях
Отклонения от плоскостности
рассчитываются с помощью ЭВМ
Измерение мерами расстояний
между линейкой и поверяемой
деталью
Измерение головкой расстояний
между линейкой и поверяемой
деталью
Измерительные головки
установлены на линейке с
микрометрическими винтами
Труба установлена на детали по
уровню. Измерения по дискретно-
передвигаемой марке
Измерение в разных точках детали
уровнем, связанным с
уравнительным сосудом
Установленные на нуль головки
закреплены на раме, подводимой к
поверяемой детали
Измерительные головки
закреплены в корпусе компаратора на
воздушной подушке
Измерения по интерференционной
картине (форма и исправление
интерференционных полос)
302
8.6. Рекомендуемое число плоскостей измерения
при контроле отклонения от круглости
Длина измеряемой
цилиндрической поверхности, мм
До 50
Св. 50 до 200
Св. 200
Отношение длины к
диаметру поверхности
До1
Св.1 до 3
Св. 3
До1
Св. 1 до 3
Св. 3
До1
Св. 1 до 3
* Св. 3
!
Число плоскостей
измерения
1
2
3
2
3
4
3
4
5
1
Отклонения от круглости контролируют в тех сечениях детали,
которые зарайее оговаривают. Если такие условия не заданы, то
количество сечений выбирайт по табл. 8.6.
Отклонения от круглости оценивают либо по показаниям отсчетных
устройств, либо обработкой профилограмм. Распространенные методы
измерений отклонений от круглости приведены в табл. 8.7.
При измерениях и контроле отклонений от цилиндричности
используют информацию по отдельным точкам или профилям, лежащим
на поверхности. Используют четыре метода измерения отклонений от
цилиндричности: поперечных сечений, образующих, винтовой линии,
экстремальных значений. Число измеряемых сечений, линий и точек при
использовании этих методов по ММС оговаривают особо.
Распространенные методы измерений отклонений от цилиндричности приведены
в табл. 8.8.
Используют серию методов измерений отклонений от параллельности
плоскостей, оси относительно плоскостей, прямых в плоскости и осей
в пространстве. Под прямыми также понимают кромки деталей,
образующие цилиндрических поверхностей. Все средства измерения
имеют образцовую плоскость (поверочные плиты, плоскопараллельные
пластины или планки). Распространенные методы измерений отклонений
от параллельности приведены в табл. 8.9.
303

8.7. Методы измерений отклонении от круглости
Техническое средство
Кругломер
Образец круглости
Аэростатический
центрированный опорный элемент
Прибор для измерения
Координатно-измеритель-
ные аппараты
Средства для измерения
диаметра(двухточечное
измерение)
Измерительный прибор и
призма (трехточечное
измерение)
Измерительный прибор и
седлообразная призма
Комбинация двух- и
трехточечных методов
Обозначение
метода
2.3-1/ММС
2.3-2/ММС
2.3-3/ММС
2.3-4/ММС
2.3-5/ММС
2.3-6.1/ММС
2.3-7.1/ММС
2.3-8.1/ММС
2.3-9/ММС
Особенность метода
Измеренный профиль
регистрируется на полярной диаграмме
Образец материализует
прилегающую окружность. Деталь
вращается в образце
Взаимное вращение элемента и
детали. Измерительный
преобразователь закреплен в опорном
элементе
Измеряемую деталь
устанавливают в центрах
Измерение ощупыванием
реального профиля во многих точках
Непрерывное измерение при
вращении детали. Пригоден для
измерения овальности или огранки с
четным числом граней
Деталь вращается в призме.
Отклонение от круглости определяется
по специальным формулам
Деталь вращается в центрах,
патроне или призме. Призма
(наездник) несет измерительный
прибор
Используют два измерительных
прибора при вращении детали
8.8. Методы измерений отклонений от цилиндричности
Техническое средство
Прибор с прецизионными
вращательным и
поступательным перемещениями
Обозначение
метода
2.4-1/ММС
Особенность метода
Вращается измерительный
преобразователь или деталь.
Использование любого из четырех методов.
Высокая точность
Техническое средство
Трехкоординатная
измерительная машина
Аэростатический
центрированный опорный элемент
Прибор для измерения
радиального биения
Любые двухточечные
измерительные приборы
Комбинация методов
измерения отклонений от
круглости и отклонений
профиля
Обозначение
метода
2.4-2/ММС
2.4-3/ММС
2.4-4/ММС
2.*-5/ММС
<
2.1-6/ММС
Особенность метода
Использование метода сечений.
Возможность определений базовых
цилиндров
Базирование элемента на
аэростатических опорах. Измерительные
преобразователи на опорном
элементе
Установка детали в центрах.
Вращение детали. Поступательное
перемещение головки (головок) или
детали
Вращательное движение детали и
поступательное - прибора. Не
применяют при нечетной огранке
поверхности и отклонений от
прямолинейности оси цилиндра
Использование любого метода
отклонения от круглости и любого
метода определения отклонений
профиля
8.9. Методы измерений отклонений от параллельности
Техническое средство
Обозначение
метода
Особенность метода
Отклонения от параллельности плоскостей
Приборы для линейных
измерений,
плоскопараллельная пластина

Контрольно-измерительная машина
Приборы для линейных
измерений,
плоскопараллельная пластина
Приборы для линейных
измерений,
плоскопараллельная планка
3.1.1-1.1/ММС
3.1.1-2/ММС
3.1.1-3.1/ММС
3.1.1-4/ММС
Деталь, лежащая на плоскости,
покрыта пластиной. Определение
размеров в разных точках пластины
Измеряемая деталь ощупывается в
заданных точках по двум
измеряемым плоскостям
Измерение по углу наклона.
Определяется торцовое биение детали,
покрытой пластиной
Деталь, лежащая на плоскости
сравнения, прикрыта планкой.
Измерения по планке на ее концах

Техническое средство
Обозначение
метода
Особенность метода
Отклонение от параллельности оси и плоскости
Приборы для линейных
измерений
Уровень
Зрительная труба,
визирные марки

Контрольно-измерительные машины
3.1.4-1/ММС
3.1.4-1/ММС
3.1.4-3/ММС
3.1.4-4/ММС
Ось детали материализуется
оправкой. Измерение расстояний от
базовой плиты до оправки
Ось детали материализуется
оправкой. Уровень поочередно ставится
на оправку и плоскость сравнения
Оптическая ось трубы располагается
параллельно плоскости сравнения.
Центры поверяемых отверстий
материализуются марками
Базовая поверхность и отверстие
ощупываются измерительной
головкой. Координаты центров находят с
помощью ЭВМ
Широкими возможностями в контроле макроотклонений обладают
координатные измерительные машины (КИМ), укомплектованные
ЭВМ. Такие машины, наряду с численными значениями параметров
макроотклонений, позволяют получить макротопографию поверхности.
8.5. КОНТРОЛЬ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
По ГОСТ 9450-76 микротвердость измеряют путем внедрения
алмазной пирамиды с углом 136° под нагрузкой 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0;
5,0 Н. Микротвердость, Па:
Н^ = 1854/Vd2; Нц = 38103Р/А2, (8.11)
где Р - нагрузка, Н; d - диаметр отпечатка, мм; h - глубина отпечатка,
мкм.
Микротвердость измеряют на приборах ПМТЗ-ПМТ5, УПМ-1,
УПМ-2, интерференционных глубиномерах мод. 270. Поверхность
образца предварительно шлифуют и полируют, а при необходимости
выявления структуры подвергают травлению реактивами, применяемыми
для микроанализа соответствующих сплавов. Для измерения глубины
упрочненного слоя срез на образце, как правило, делают под углом ос.
Расстояние, мм, измеряемого участка от поверхности (рис. 8.12):
306
Рис. 8.12. Образец для измерения микротвердости
поверхностного слоя
Л = /sino, (8.12)
где / - расстояние отпечатка от линии
пересечения среза и поверхности
образца, мм.
Для предотвращения влияния завалов
при получении'среза на точность
определения / срезанную поверхность шлифа,
как правило, обрабатывают, используя
различные приспособления, а при
необходимости заливают стерокрилом.
Основными методами определения поверхностных остаточных
макронапряжений являются, механические и рентгеновские.
Механические методы д£лят на расчетные и экспериментальные
(неразрушающие и разрушающие). Расчетные методы позволяют
теоретически рассчитать эпюру остаточных поверхностных напряжений
на основе данных о механических свойствах поверхностного слоя.
Экспериментальные неразрушающие методы основаны на изменении
размеров деталей в результате воздействия поверхностных остаточных
напряжений и позволяют определить последние без разрушения детали.
Экспериментальные разрушающие методы Н.Н. Давиденкова, Г. Закса
и др. для определения поверхностных остаточных напряжений
используют довольно широко. Значение и знак напряжения в поверхностном слое
определяют расчетом по значению деформации образца после снятия с
него этого слоя. Эти слои можно срезать или растворять.
Рентгеновские методы основаны на измерении деформации
кристаллической решетки по дифракционным линиям, которые
характеризуются их смещением (шириной или интенсивностью)
относительно аналогичных линий ненапряженного слоя материала.
Перспективным является метод оценки остаточных напряжений по
изменению электромагнитных свойств поверхностного слоя,
позволяющий определить остаточные макронапряжения в тонком поверхностном
слое без разрушения. Широкое применение получает метод
бесконтактного неразрушающего исследования деформаций детали для
определения остаточных поверхностных напряжений методом голографической
интерферометрии.
Поверхностные остаточные микронапряжения определяют только
с помощью методов рентгеноструктурного анализа по уширению
интерференционных линий на рентгено- и дифрактограммах.
W
Ш-
307

Для определения фазового состава, количественного содержания фаз,
формы и размеров структурных составляющих поверхностного слоя, как
правило, применяют металлографические микроскопы МИМ-7, МИМ-8.
Электронную микроскопию применяют для изучения кристаллографии
и дефектов структуры в поверхностном слое. Просвечивающие
электронные микроскопы (ПЭМ) позволяют получить разрешение до
1,0 мкм.
Для исследования поверхности с нее необходимо снимать тонкие,
прозрачные для электронов реплики (отпечатки). Отражательные
электронные микроскопы типа РЭМ работают по принципу
сканирования (ощупывания) исследуемой поверхности электронным лучом,
имеющим развертку по двум взаимно перпендикулярным направлениям.
В растровом электронном микроскопе РЭМ-2 изображение получается
на экране электронно-лучевой трубки и может быть сфотографировано.
Для рентгеноструктурного анализа поверхностного слоя в научно-
исследовательских лабораториях широко применяют дифрактометры
типа ДРОН (ДРОН-20, ДРОН-30, ДРОН-2М1). Дифрактометр
ДРОН-2М1 оснащен микроЭВМ.
Установки рентгеноструктурного анализа могут быть
укомплектованы приставками для проведения высоко- и низкотемпературных
исследований. Для исследования субструктуры и дефектов решетки
поверхностного слоя монокристаллических материалов применяют
методы рентгеновской дифракционной микроскопии. Реальная глубина
проникновения рентгеновских лучей составляет 1...10 мкм. Вследствие
малой проникающей способности электронов электронограммы
характеризуют структурно-фазовое состояние тонкого поверхностного
слоя.
Таким образом, к настоящему времени в машиностроительной
отрасли достаточно хорошо контролируют геометрические
характеристики поверхности деталей: шероховатость, волнистость и
макроотклонения формы и, в значительно меньшей мере, - физико-механические
свойства поверхностного слоя.
8.6. КОНТРОЛЬ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ КОНТАКТИРУЮЩИХ ДЕТАЛЕЙ
МАШИН
Несущая способность поверхностного слоя определяется
сопротивлением внедрения в него твердого тела под действием силы. Оно зависит
как от геометрических параметров поверхности, так и
физико-механических свойств поверхностного слоя. Практически несущая способность
является комплексным показателем качества поверхностного слоя.
308
Учитывая, что под контактной жесткостью понимается способность
поверхностных слоев деталей сопротивляться действию сил, стремящихся
их сдеформировать, то показателем несущей способности может служить
коэффициент средней контактной жесткости Укср при первых и
повторных нагрузках, определяемый по уравнению (3.40). Поэтому
контроль несущей способности поверхностного слоя контактирующих
деталей машин базируется на нормализованном методе определения
контактной жесткости.
Для его реализации разработана и реализована автоматизированная
измерительная система (рис. 8.13). Она включает в себя: установку для
измерения контактной жесткости неподвижных стыков; датчики
контроля (силы и контактных перемещений); усилитель сигналов
датчиков; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и персональный
компьютер. Схема измерительной системы представлена на рис. 8.14.
Сигналы от датчиков кон!гроля через усилитель поступают на АЦП.
С АЦП сигнал в цифровой'форме поступает на ПК для дальнейшей
обработки.
Рис. 8.13. Общий вид автоматизированной системы для контроля несущей способности
поверхностного слоя деталей
309

j Датчике
: контроля
i.. j
Рис. 8.14. Схема измерительной системы
Измерение жесткости проводится на образцах, изготовленных из того
же материала, что и реальные детали, а исследуемые поверхности
обрабатываются при аналогичных условиях.
Для отслеживания контактных перемещений используется
индуктивный датчик линейных перемещений М-30 с Ш-образной системой завода
"Калибр". Датчик имеет чувствительные элементы в виде подвижной
обмотки. Эта конструкция датчика характеризуется постоянством
магнитной проводимости для различных положений чувствительного
элемента, вследствие чего не искажается характер потокораспределения
в рабочем зазоре. Точность измерений датчиком - 0,1 мкм.
Для определения действующей нагрузки используются германиевые
дендритные тензорезисторы (гедисторы) марки ГДТ, обладающие
гораздо более высокой чувствительностью по сравнению с
проволочными и фольговыми (металлическими) тензодатчиками. Применение
гедисторов позволило повысить чувствительность и собственную частоту
датчиков, механических параметров, а также понизить порог
чувствительности тензометрических устройств, что представляет интерес для
измерений на деталях с большим модулем Юнга. Так как гедисторы
имеют сравнительно большую площадь поперечного сечения, поэтому
для работы с ними применяются клеи с большим модулем упругости
(БФ-6, ВЛ-931, эпоксидные смолы).
Для автоматизированного управления измерением средней
контактной жесткости разработана программа1, алгоритм которой представлен
на рис. 8.15. Управляющая программа построена по принципу
"осциллограф", т.е. любые изменения системы регистрируются в реальном времени
на дисплее ЭВМ в виде графиков и численных значений, что позволяет
визуально наблюдать за ходом измерения контактной жесткости
(рис. 8.16). Данное программное обеспечение выполняет следующие
функции:
1) проверку подключенных к ЭВМ внешних устройств (датчиков
контроля, присутствия АЦП);
2) ввод исходных данных (вид контроля, тип поверхности,
шероховатость поверхности, твердость материала);
3) в зависимости от исходных данных выбор типа инденторов,
максимальной и минимальной нагрузок (даются указания по установке
коэффициента усиления усилителя);
Разработана А.Е. Захаровым.
*=,

Усилитель
J ,
АЦП
fl 1
»
Персональный
компьютер
310
( начало )
выбор максимальной и|
минимальной нагрузок [
Е
сигнал от динамометра
. сигнал отдатчика
контактных перемещений
14
расчет коэф-та средней
контактной жесткости
♦
15
построение среднего
графика
*
16
запись всех расчетных
данных в файл
Рис. 8.15. Структурная схема алгоритма работы программы

ao -
18 -
16 -
M ■
13 •
ID ■
8
6 -
4 -
3 -
О -
о
i
,i~
Ю
pjsjl"-"Зжяйа* ■
—
ao
«•«л.
/
ЭО
" FST-
Bka noi-tH:
ЧИП. 1НУ».
Вил ивпшаинй:
»ч*т Rat
Rx - ЭО
T». и»*. (MR* >:
900
F<H* :: 35.98
Kimomit
/ _„.,,„_=--»»*—- Jtll«A»>=
P.H
40 so во то ao so лао
- 'ШмПиАмТ ' "F3"-~i«M •■>>«>«•«*>< «•""«; fio"- Vniii
Рис. 8.16. Общий вид рабочего экрана программы:
/ - средняя кривая первого контактного нагружения; 2 - средняя кривая повторных
контактных нагружений
4) считывание данных с датчиков, запись их в файл и построение
зависимостей контактных перемещений от нагрузки;
5) расчет коэффициента контактной жесткости при первом (/,) и
повторном 10-кратном нагружений (jnotsr);
6) построение среднего графика зависимости контактных
перемещений от нагрузки из пяти замеров (см. рис. 8.16).
Результаты экспериментального определения контактной жесткости
реализуются программой в виде протокола измерений:
1) исходные данные;
2) максимальная и минимальная нагрузки;
3) результаты измерения контактной жесткости пяти опытов и
рассчитанный средний коэффициент контактной жесткости
представляется в виде табл. 8.10.
8.10. Средний коэффициенту,
ч>
j
Па/мкм
-/повт»
Па/мкм
№ опыта
1
1,99
16,16
2
1,9
16,09
3
1,82
15,98
4
1,79
15,87
5
1,799
15,86
Па/мкм
1,8598
15,992
312
4) средний график зависимости контактных перемещений от нагрузки;
5) среднеарифметическое отклонение.
Данная автоматизированная система может быть использована для
контроля несущей способности контактирующих поверхностей как с
учетом шероховатости, так и волнистости.
i
I

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник / Под ред. А.И. Резникова.
М.: Машиностроение, 1977. 390 с.
2. Абдуладзе Н.Г. О напряжении сдвига и связи между учетом сдвига и трения при
образовании сливной стружки. Куйбышев: 1962.
3. Адаптивное управление технологическими процессами / Ю.М. Соломенцев,
В.Г. Митрофанов, СП. Протопопов и др. М.: Машиностроение, 1980. 536 с.
4. Алексеев П.Г. Машинам быть долговечными. Тула: Приокское кн. изд-во, 1973. 182 с.
5. Алёхин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов.
М.: Наука, 1983.280 с.
6. БаштаТ.М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1971. 276 с.
7. Безъязычный В.Ф. Назначение режимов резания по заданным параметрам качества
поверхностного слоя: Учеб. пособие. Ярославль: 1978. 86 с.
8. Безъязычный В.Ф. Расчет режимов обработки, обеспечивающих комплекс параметров
поверхностного слоя и точность обработки // Справочник. Инженерный журнал. №9(18).
1998. С. 13-19.
9. Беркович И.И. Фрикционное взаимодействие дисперсных материалов и твердой
поверхностью //'Трение и износ. Т. 16. 1995. № 6. С. 1079-1118.
10. БраславскийВ.М. Технология обкатки крупных деталей роликами. М.:
Машиностроение, 1975. 160 с.
11. Буше И.А. К вопросу о процессах, происходящих на поверхности трения
металлических материалов // В кн.: О природе трения твердых тел. Минск: Наука и техника.
1971. С. 75-77.
12. Галин Л.А. Развитие теории контактных задач в СССР. М.: Наука, 1977. 530 с.
13. Герметичность неподвижных соединений гидравлических систем / В.Т. Бабкин,
А.А. Зайченко, В.В. Александров и др. М.: Машиностроение, 1977. 120 с.
14. Гаркунов Д.Н., Поляков А.А. Повышение износостойкости деталей самолетов. М.:
Машиностроение, 1974. 321 с.
15. Горленко О.А. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных
показателей деталей машин // Трение и износ. Т. 18. № 3. 1997. С. 361-368.
16. Горохов В.А. Регуляризация микрорельефов поверхностей изделий машиностроения.
М.:ВНИИТЭМР, 1991.62 с.
17. Грнчихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: Теория и практика.
Влияние на свойства металлов. Л.: Машиностроение, 1987. 232 с.
18. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей
машин. М.: Машиностроение, 1975. 222 с.
19. Дёмкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Машиностроение,
1970. 227 с.
20. Дёмкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.:
Машиностроение, 1981. 244 с. '
21. Джонсон У., Меллер П. Теория пластичности для инженеров. М.: Мир, 1979. 567 с.
22. Доводка прецизионных деталей машин / П.Н. Орлов, А.А. Савелова, В.А. Полухин,
Ю.И. Нестеров. М.: Машиностроение, 1978. 271 с.
23. Дудник Н.П. Интенсификация процесса зубошлифования коническими кругами по
способу обкатки / Автореферат дис. на соискание степени канд. техн. наук. Киев: ИСМ АН
УССР, 1984.
314
24. Дунин-Барковский И.В., Карташова А.И. Измерение и анализ шероховатости,
волнистости и некруглости поверхности. М.: Машиностроение, 1978. 231 с.
25. Дьяченко П.Е., Слинков Б Л. Влияние микрогеометрии поверхностей цапф на работу
подшипников из свинцовистой бронзы. В кн.: Трение и износ в машинах. М.: АН СССР,
1950. С. 25-40.
26. Евсеев Д.Г. Формирование свойств поверхностного слоя при абразивной обработке.
Саратов: СГУ, 1975. 128 с.
27. Евсеев Д.Г., Подзей В.А., Юдин Д.Л. Малоотходная и упрочняющая технология
производства деталей подвижного состава: Учебное пособие. М.: МИИТ, 1992. 104 с.
28. Елизаветин М.А., Сатель Э.А. Технологические способы повышения долговечности
машин. М.: Машиностроение, 1969! 400 с.
29. Жаропрочные сплавы для газовых турбин: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1981.480 с.
30. Измайлов В.В. Основы фрикционных характеристик металлов с их физико-
механическими свойствами // Механика и физика контактного взаимодействия / Сб. науч.
тр. Калинин: КГУ, 1980. С. 65-81.
31. Ильин Н.Н., Седова В.Л. Структурно-логическая модель процесса нанесения
приработочных покрытий // Трение и износ. Т. 11, 1990, № 5. С. 833-839.
32. Инженерные методы исследования ударных процессов / Г.С. Батуев, Ю.В. Голубков,
А.К. Ефремов и др. М.: Машиностроение, 1997. 239 с.
33. Инструментальные системы автоматизированного производства: Учебник для вузов /
Р.Й. Гжиров, В.А. Гречишников, В.Г. Логашев и др. С.-Пб: Политехника, 1993. 399 с.
34. Исаев А.И. Микрогеометрия поверхности при токарной обработке М.-Л.:
Машиностроение, 1950. 106 с.
35. Испытательная техника: Спр&очник / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение,
1982. 550 с. '
36. Качество машин: Справочник* в 2 т. Т. 1. /А.Г. Суслов, Браун Д.А., Виткевич Н.А.
и др. М.: Машиностроение, 1995. 256 с.
37. Качество машин: Справочник В 2 т. Т. 2 / А.Г. Суслов, Ю.В. Гуляев, A.M. Дальский
и др. М.: Машиностроение, 1995. 430 с.
38. Качество поверхности при алмазно-абразивной обработке / Э.В. Рыжов,
А.А. Сагарда, В.Б. Ильицкий, И.Х. Чеповецкий. Киев: Наук, думка, 1979. 244 с.
39. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций
на прочность и долговечность. М.: Машиностроение, 1983. 224 с.
40. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов. М.:
Машиностроение, 1997. 592 с.
41. Комбалов B.C. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ. М.: Наука,
1974.110 с.
42. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: 1970. 396 с.
43. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.
44. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ.
М.: Машиностроение, 1977. 540 с.
45. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: Справочник. М.:
Машиностроение, 1984. 248 с.
46. Ланков А.А., Миронов В.А. Упругость, упругопластичность, пластичность в
конструкционных средах: Учебное пособие, Тверь: ТГТУ, 1997. 132 с.
47. Левина З.М., Рещетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение,
1971.264 с.
48. Любарский И.М. Повышение износостойкости тяжелонагруженных шестерен. М.:
Машиностроение, 1965. 132 с.
49. Макаров АД. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. 278 с.
50. Максак В.И. Предварительное смещение и жесткость механического контакта. М.:
Наука, 1975. 59 с.
315

51. Маталин А.А. Технология механической обработки. М.: Машиностроение, 1977.
460 с.
52. Машиностроение. Энциклопедия. Т. IV-3 "Надежность машин" / В.В. Клюев,
В.В. Болотин, Ф.Р. Соснин и др. / Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1998.
592 с.
53. Медведев А.И Исследование процессов формирования качества поверхности зубьев
цилиндрических зубчатых колес и закономерностей технологической наследственности при
их изготовлении / Автореферат дис. на соискание степени канд. техн. наук. Минск: БГПА,
1993.
54. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. М.: Наука, 1977, 220 с.
55. Мухин B.C. Технологические методы обеспечения качества поверхности деталей:
Учебное пособие. Уфа: УАИ, 1984. 73 с.
56. Овсеенко А.Н. Технологические начальные и остаточные напряжения / Тез. докл.
междунар. семинара "Качество поверхности". Брянск: БИТМ, 1995. С. 13-17.
57. Орлов А.Н., Пннегнн СВ. Остаточные деформации при контактном нагружении.
М.: Машиностроение, 1971. 83 с.
58. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Физматгиз, 1977. 232 с.
59. Пинегин СВ. Контактная прочность и сопротивление качению. М.:
Машиностроение, 1969.242 с.
60. Питерсен С.Д. Исследование силы резания, точности и шероховатости поверхности
зубьев колес, нарезанных червячными фрезерами с закругленными вершинами с
прогрессивной схемой резания / Автореферат дис. на соискание степени канд. техн. наук.
Волгоград: ВГТУ, 1993.
61. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием /
В.К. Яценко, Г.З. Зайцев, В.Ф. Притченко, ЛИ. Иващенко. М.: Машиностроение, 1985.
232 с.
62. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением /
Хворостухин Л.Н. и др. / М.: Машиностроение, 1988. 142 с.
63. Полевой С.Н., Евдокимов В Д. Упрочнение металлов: Справочник. М.:
Машиностроение, 1986. 320 с.
64. Польцер Г., Мойсснер Ф. Основы трения и изнашивания / Пер. с нем. М.:
Машиностроение, 1984. 289 с.
65. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К. и др. Расчеты на прочность в
машиностроении. М.: Машгиз, 1958. Т. 3. 1118 с.
66. Проников Н.С Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. 590 с.
67. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняюще-калибрующей и формообразующей
обработки металлов. М.: Машиностроение, 1971. 208 с.
68. Пузанков В.В. Исследование оптимальной чистоты поверхности трущихся пар // В
кн.: Качество поверхности деталей машин. Сб. N° 4. АН СССР, 1959. С. 32-40.
69. Расчет на прочность деталей машин / И.А. Бергер, Б.Ф. Шерр, Г.Б. Иосилсвич. М.:
Машиностроение, 1979. 702 с.
70. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966.193 с.
71. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин.
Киев: Наукова думка, 1984. 272 с.
72. Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Оптимизация технологических процессов механической
обработки. Киев: Наукова думка, 1989. 222 с.
73. Рыжов Э.В., Андрейчиков О.С, Стешков А.Е. Раскатывание резьб. М.:
Машиностроение, 1974. 122 с.
74. Рыжов Э.В., Колесников Ю.В., Суслов А.Г. Контактирование твердых тел при
статических и динамических нагрузках. Киев: Наукова думка, 1982. 170 с.
75. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение
эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.
316
76. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П., Ольшевская Н.А. Многофакторный
корреляционно-регрессионный анализ / Госфонд алгоритмов и программ, № 17002422 от
12.05.77.52.
77. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Улашкин А.П. Комплексный параметр для оценки свойств
поверхностного трения деталей машин //Трениеи износ. 1980. Т. 1. №3. С. 436-439.
78. Романов В.В. Методы исследования коррозии металлов. М.: Машиностроение, 1965.
286 с.
79. РудзитЯ.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. Рига, 1975.
216 с'
80. Серебряков В.И. Формирование характеристик качества поверхности по
эксплуатационным требованиям деталей маи1ин / Тез. докл. семинара "Качество
поверхности". Брянск: 1995. С. 6-10.
81. Смелянский В.М. Механика упрочнения поверхностного слоя деталей машин в
технологических процессах поверхностного пластического деформирования. М.:
МАШМИР, 1992. 60 с.
82. Смелянский В.М. Нормирование и' оптимизация качества поверхностного слоя
деталей при обработке / Тез. докл. семинара "Качество поверхности". Брянск: БИТМ, 1995.
С. 34-40. |
83. Справочник технолога - машиностроителя. В 2 т./ Под ред. А.Г. Косиловой и
Р.К. Мещерякова. М.: Машиностроение. 1985. Т. 1. 656 с; Т. 2. 496 с.
84. Станочное оборудование автоматизированного производства/В.В. Бушуев. Т. 1.
М.: Станкин, 1993. 584 с. к
85. Старков В.К. Дислокационнйе представления о резании металлов. М.:
Машиностроение, 1979. 100 с. »
86. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в
автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989. 296 с.
87. СторожевМ.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.:
Машиностроение, 1971. 424с.
88. Сулима A.M., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная
прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1974. 255 с.
89. Сулима A.M., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные
свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.
90. Суслов А.Г. К вопросу трения и изнашивания деталей машин //Трение и износ. 1990.
Т. 11. №5. С. 801-807.
91. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение контактной жесткости соединений. М.:
Наука, 1977. 100 с.
92. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного
слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987. 207 с.
93. Суслов А.Г., Горленко А.О., Симкин А.З. Повышение долговечности кулачковых
пар трения // Трение и износ. Т. 18. № 3. 1997. С. 395-398.
94. Суслов А.Г., Горленко А.О., Сухарев СО. Электромеханическая обработка деталей
машин/Справочник. Инженерный журнал. № 1 (10), 1998. С. 15-18.
95. Суслов А.Г., Улашкин А.П. Выбор упрочняюще-отделочных методов обработки для
повышения износостойкости деталей машин / Справочник. Инженерный журнал. № 7 (16).
1998. С. 15-21.
96. Суслов А.Г., Улашкин А.П. Выбор упрочняюще-отделочных методов обработки для
повышения износостойкости деталей машин /Справочник. Инженерный журнал. № 8 (17).
1998. С. 16-23.
317

97. Суслов А.Г., Федонин О.Н. Зависимость коррозионной стойкости деталей машин
от качества их поверхности / В сб. Поверхность. Технологические аспекты прочности
деталей. Уфа: УГАТУ, 1996. С. 107-112.
98. Тененбаум М.М. Анализ изменений шероховатости обработанных поверхностей //
Заводская лаборатория. 1950. № 2. С. 204-207.
99. Технология машиностроения: В 2 т. Т. 1. Основы технологии машиностроения:
Учебник для вузов / В.М. Бурцев, А.С. Васильев, A.M. Дальский и др.; Под ред.
A.M. Дальского. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1977. 564 с.
100. Тихомиров В.П. Контактное взаимодействие фрактальных поверхностей // Трение
и износ. Т. 18, 1997. № 3. С. 369-374.
101. Томас Т.Р., Горленко О.А. Топографические параметры шероховатости
поверхности//Трение и износ. Т. 11. №3. 1990. С. 551-553.
102. Тотай А.В. Технологическое обеспечение физических и эксплуатационных свойств
поверхностных слоев деталей машин //Трение и износ. Т. 18. 1997. № 3. С. 385-397.
103. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. Кн. 1 / Под ред. И.В. Крагель-
ского, В.В. Анисина. М.: Машиностроение, 1978. 400 с.
104. Трение, изнашивание и смазки. Справочник: в 2-х кн. Кн. 2. / Под ред. И.В. Кра-
гельского, ВВ. Анисина. М.: Машиностроение, 1978. 418 с.
105. Федоров В.П. Проблемы исследования и повышения надежности технологического
обеспечения качества деталей машин // Трение и износ. 1997. Т. 18. С. 349-360.
106. Харченков B.C. Технологическое обеспечение износостойкости деталей машин
нанесенных многослойных покрытий // Трение и износ. Т. 18, № 3, 1997. С. 331-338.
107. Хрущев М.М. Исследование приработки подшипниковых сплавов и цапф. М.-Л.:
Изд-во АН СССР. 1996. 146 с.
108. Хусу А.П., ВитенбергЮ.Р.,Пальтов В.А. Шероховатость поверхностей. Теоретико-
вероятностный подход. М.: Наука, 1975. 344 с.
109. Шлезингер Г. Качество поверхности. М.: Машгиз, 1947. 284 с.
ПО. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их
эксплуатационные свойства. М.: Машиностроение, 1972. 210 с.
111. Юдин ДЛ., Цунихин А.И., Фомин В.А., Жарков В.В., Порхачев М.А., Фроленок А.А.
Технологическое обеспечение качества и производительности отделочно-упрочняющеи
обработки зубчатых колес тягового редуктора тепловоза // Вестник машиностроения. 1985.
№ 9. С. 27-30.
112. Ящерицын П.И., Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Технологическая наследственность
в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1977. 221 с.
113. Greenwood I.A. The Are of Contakt Between Rough Surfaces and Flats. ASME, ser E,
1967, N 1.
114. Mindlin R.D. Compliance of elastic bodies in contact. - J Appl. Mech, 1949. 16; N 3,
p. 259-268.
115. Weingraber H. Moglichkeiten fur eine Statistishe Auswertung technischer Oberflkchen //
Flingeratetechnik. 1970. N 9. S. 416-621.
НА УЧНО- ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДА НИЕ
»
I
Суслов Анатолий Григорьевич
КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Лицензия ЛР № 080003 от 12.09.96 г.
Редактор Г.Н. Сидорова
Обложка художника В.Н. Погорелова
Художественный редактор Т.Н. Погорелова
Технические редакторы: Т.Н. Андреева, С.А. Жиркина
Корректоры: Л.И. Сажина.Л.Е. Сонюшкина
Сдано в набор 23.05. 00. Подписано в печать 29.09.00.
Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать офсетная.
Усл. печ.л. 19,6. Уч.-изд.л. 18,24. Тираж 500 экз. Заказ 428т
Ордена Трудового Красного Знамени издательство "Машиностроение",
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Отпечатано в типографии НИИ "Геодезия",
г. Красноармейск Московской области