Неровностям поверхности

При контроле на экране дефектоскопа могут появляться мешающие сигналы, обусловленные различными причинами: неровностями поверхности усиления шва; подрезами допустимой величины; резким переходом усиления шва к основному металлу; «шумами» преобразователя и дефектоскопа. Чтобы различить мешающие сигналы и сигналы от дефектов, необходимо учитывать местоположение отражающей поверхности и положение преобразователя на поверхности сварного соединения.

Рис. 4. Подразделение неровностей профиля поверхности детали; а — деталь с неровностями поверхности; б — сечение той же детали; в — шероховатость профиля; г — волнистость профиля; д — непрямолинейность профиля; е — графическое выделение шероховатости

О предпосылках управления неровностями поверхности как фактором качества продукции. Неровности поверхности оказывают большое влияние на качество промышленной продукции. Под качеством продукции понимают совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением1. К числу таких свойств, называемых эксплуатационными, принадлежат выносливость, износостойкость, коррозионная стойкость, жесткость, точность, статическая и динамическая непроницаемость, эстетичность и др.

Связь выносливости с неровностями поверхности. Долговечность многих машин ограничивается сопротивлением усталости их деталей. К таким деталям принадлежат, например, шлицевые валы, кольца и тела подшипников качения, резьбовые шпильки и т. д., особенно турбинные и компрессорные лопатки, выносливость которых до настоящего времени лимитирует ресурс двигателей.

Связь трения и износа с неровностями поверхности. Современная молекулярно-механическая теория трения объясняет силу сухого (и граничного) трения скольжения образованием и разрушением адгезионных 1 мостиков холодной сварки контактирующих участков шероховатой поверхности и зацеплением (и внедрением) неровностей [10, 40]. Трение обусловлено объемным деформированием материала и преодолением межмолекулярных связей, возникающих между сближенными участками трущихся поверхностей. При этом износ протекает в виде отделения частиц за счет многократного изменения напряжения и деформации на пятнах фактического контакта при внедрении неровностей истирающей поверхности в истираемую поверхность. Во многих случаях износ имеет усталостный характер растрескивания поверхностного слоя под влиянием повторных механических и термических напряжений, соединения трещин на некоторой глубине и отделения материала от изнашиваемого тела. Интенсивность изнашивания зависит от величины фактического контакта и напряженного состояния изнашиваемого тела, которые в свою очередь в сильной степени зависят от размеров и формы неровностей и, в частности, от радиусов закругления выступов. В обычных условиях истирающая поверхность является существенно более жесткой и шероховатой по сравнению с той, износ которой определяется, и ее неровности оказываются статистически стабильными при установившемся режиме трения. Таким образом, в отношении износостойкости деталей неровности их поверхностей имеют первостепенное значение.

Связь трения качения с неровностями поверхности. Главным преимуществом трения качения по сравнению с трением скольже-

ния являются малые энергетические потери. Коэффициент трения качения составляет обычно 0,0001—0,001, тогда как коэффициент трения скольжения в тех же условиях равен 0,05—0,3, т. е. в сотни раз больше. Поэтому потерями на трение при дифференциальном проскальзывании сопряженных поверхностей и при поперечном скольжении за счет вдавливания шара в желоб зачастую пренебрегают. Долговечность пар трения качения ограничивается в основном усталостным разрушением, выкрашиванием. К выкрашиванию приводят повторно-переменные контактные напряжения, вызывающие образование трещин, расклиниваемых попадающей в них смазкой. Ограниченное выкрашивание на небольшом участке вследствие временной перегрузки непосредственно связано с концентрацией нагрузки и с наличием неровностей на сопряженных поверхностях, резко уменьшающих фактическую площадь контакта. Прогрессивное выкрашивание, наступающее при достаточно больших напряжениях, также связано с неровностями поверхности. Испытания стальных шлифованных цилиндрических образцов на контактную усталость на машине МИД-4 при нагрузке 1500 Н и при 14 400 об/мин показали, что между стойкостью и высотой волнистости имеется обратная зависимость: с увеличением высоты волн с 0,1—0,4 до 1—2,5 мкм, т. е. приблизительно в 7 раз, стойкость снизилась с 450 до 150 ч, т. е. в 3 раза. Некоторые зарубежные фирмы считают, что для подшипников качения диаметром 6—12 мм допустимая амплитуда периодических неровностей уменьшается с увеличением числа волн на окружности с 1 мкм при двух волнах до 0,3 мкм при восьми волнах.

Связь эрозионного .износа и силы тяги газотурбинного двигателя с неровностями поверхности. Применение газотурбинных

Связь износовых и внезапных отказов авиационных двигателей с неровностями поверхности. Исследования надежности и, в частности, физической природы отказов некоторых авиационных двигателей показали, что износовые отказы устройства типа узла центрирования форсунки под воздействием вибрационно-динамических импульсов и внезапные отказы пар, подобных паре якорь—втулка клапана пускового топлива, в значительной степени зависят от неровностей контактирующих поверхностей 1111.

Связь коррозионной стойкости с неровностями поверхности. Влияние неровностей поверхности на коррозию металлов и особенно на коррозионное растрескивание, а также на качество защитных покрытий близко по характеру к влиянию их на усталостное разрушение. Имеет место общность физических процессов коррозионной усталости (усталости при одновременном действии коррозии) и коррозионного растрескивания. Неровности и, в частности, глубокие впадины с малыми радиусами закругления дна увеличивают неоднородность поверхности и приближают момент первых коррозионных разрушений.

Связь контактной жесткости и виброустойчивости с неровностями поверхности. Критерий жесткости машин и их деталей является одним из важнейших критериев работоспособности.

Вторая предпосылка управления качеством продукции по показателям, зависящим от качества поверхности, состоит в раскрытии механизма формирования неровностей поверхности деталей изделия в зависимости от свойств обрабатываемого материала, вида обработки, параметров оборудования, инструмента, режимов обработки и других конструктивных и технологических факторов. Очевидно, что это необходимо для проверки расчетным путем реальности задаваемого уровня требований к неровностям поверхности и степени обеспеченности его на производстве.

Для каждой поверхности на основании анализа опытных данных, теоретических расчетов и данных ателье о надежности и долговечности установлены требования к качеству поверхности и в первую очередь к неровностям поверхности. Требования к новым деталям устанавливали на основе сравнения условий их работы с условиями работы аналогичных деталей уже апробированного узла по результатам испытаний опытных образцов. При этом учитывали экономические соображения. Например, если стоимость ремонта механизма (стоимость запасных частей, разборки и сборки) была низкой, то к качеству поверхности

Связь термического и электрического контактных сопротивлений с неровностями поверхности. Термическое и электрическое контактные сопротивления можно рассматривать совместно, поскольку между электропроводностью металлов и их теплопроводностью существует тесная физическая связь, а явления, протекающие на указанных двух видах контактов, в ряде случаев могут быть одинаково математически описаны [3, 13]. Контактирующие тела благодаря неровностям поверхности имеют лишь дискретные точки фактического соприкосновения, группирующиеся в ограниченных районах номинальной поверхности контакта. И когда тепловой поток (или электрический ток) встречает в вакууме контактную поверхность, разграничивающую два тела, по нормали к ней, то тепловая энергия стягивается в уплотненные линии для того, чтобы пройти через микроконтакты. Сопротивление такого типа при протекании теплового потока через граничную поверхность называют стягивающим контактным сопротивлением. Очевидно, что величина данного сопротивления определяется величиной и формой неровностей контактирующих поверхностей.

Стандартизация неровностей поверхности в СССР. Работы по стандартизации неровностей поверхности и в первую очередь шероховатости поверхности ведутся в СССР с 20-х годов. Существовавший с 1928 г. в СССР стандарт* предусматривал подразделение обработанных поверхностей на четыре группы: V — грубые, VV — получистые, VVV — чистые и VWV — весьма чистые. Число групп было недостаточным для назначения требований к неровностям поверхности при различных эксплуатационных условиях и для отражения различий поверхностей, получаемых при различных методах обработки. Кроме того, классификация базировалась на визуальной оценке чистоты поверхности.

Длины участков и число измерений параметров неровностей поверхности при профильных методах измерении. Задаваемые из эксплуатационных соображений требования к неровностям поверхности детали относятся, естественно, ко всей рабочей поверхности каждой конкретной изготовленной детали. Контроль соблюдения этих требований осуществляется обычно по некоторому числу профилей ограниченной длины. Методы их выполнения получили специфическое название профильных методов. При профильных методах измерения возникают вопросы: 1) какой длины должен быть каждый обследуемый профиль, т. е. вопрос о длине участка измерения /s; 2) сколько должно быть обследовано таких участков, т. е. вопрос о числе пл участков измерений на поверхности; 3) какие участки выбрать для измерений, чтобы оценить поверхность в целом, т. е. вопрос о расположении участков на поверхности.

На определенном теоретическом фундаменте следует строить: 1) методы расчетного обоснования требований к неровностям поверхности, вытекающих из физической роли и эксплуатационного значения неровностей в каждой конкретной ситуации; 2) методы управления технологическими процессами, обеспечивающими получение заданных, физически обоснованных параметров неровностей поверхности; 3) перспективы развития техники измерения неровностей поверхности и обеспечения единства измерений на стадиях эксперимента, испытаний и производства; 4) задачи и перспективы стандартизации конкретной продукции по неровностям поверхности, а также норм, правил, требований, методов, терминов, обозначений и т. п., относящихся к неровностям поверхности.

В качестве примеров использования параметра ак можно сослаться на выполненную с его помощью оценку зависимости долговечности турбинных лопаток газотурбинного двигателя, позволившую предложить методику расчетно-опытного обоснования требований к неровностям поверхности этих деталей, а также на определение процедуры ускоренных испытаний влияния различных технологических процессов и режимов обработки на повышение выносливости деталей технологическими средствами.

Решения уравнений (171) и (172) относительно рд и ук дают формулы для расчетного обоснования требований к неровностям поверхности по заданному сроку службы.

Естественно, что результаты расчетов, как и во всех случаях инженерной практики, должны быть сопоставлены с опытом эксплуатации прототипов трущихся пар с учетом эффективности и экономичности эксплуатации. При этом должны быть учтены также производственные возможности и те затраты, которые вызывают достижение задаваемых требований к неровностям поверхности.

Эксперимент по неровностям поверхности может быть:

свойства. Эластомерные уплотнения подразделяются на прокладки (группа 3.1); кольца различного профиля, преимущественно круглого сечения (группа 3.2); манжеты (группа 3.3) и манжеты с пружиной (группа 3.4). Все они, за исключением прокладок, применяются для уплотнения подвижных соединений возвратно-поступательного и вращательного движений. Различные конструкции показаны на рис. 6. При применении эластичных уплотнений достаточно грубо обработать канавку и установить в нее уплотнительное кольцо так, чтобы возникла определенное контактное давление, обеспечивающее плотное прилегание эластичного кольца ко всем неровностям поверхности твердого контртела. При низком давлении жидкости контактное давление создается только упругостью деформированного уплотнения. Когда в уплотняемой полости возникнет высокое давление, достаточное для деформации уплотнения, его материал ведет себя подобно сильно вязкой жидкости. По*! VTOM на уплотняемых поверхностях соответственно BOSpacTafLikoHfактное давление. Материал уплотнения находится в состс(яЖы всестороннего сжатия и способен выдерживать практичесю^ДОоА. давления.