Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом

Шнейдер Ю.Г.

Машиностроение, 1982 г.

Взаимодействие предметов материального мира имеет всеобщий характер. При этом свойства взаимодействующих объектов претерпевают те или иные изменения. Поскольку взаимодействие твердого тела с другим твердым телом или жидкостью, газом, плазмой происходит по ограничивающим их поверхностям, мерой изменений должна быть истинная площадь поверхности, ограничивающей тело. В тех случаях, когда, исходя из служебных свойств взаимодействующих твердых тел или твердого тела с другой фазой, изменения должны быть минимальными (трение, износ, смятие и другие виды деформации), минимальной должна быть и площадь контактирующих поверхностей. Минимизация поверхности связана с проявлением одного из самых общих законов природы—стремления любой системы к минимуму свободной энергии, обеспечивающей ее устойчивость против воздействия окружающей среды. Внешним отражением этого закона является симметрия, регулярность, которые предельно четко проявляются на всех поверхностях, «созданных природой».

Поверхности, образующиеся на деталях всеми известными способами обработки, вследствие неоднородной пластической деформации нерегулярны, хаотичны, что затрудняет, а часто делает невозможным решение задачи оптимизации микрорельефа поверхности, минимизации ее площади. Вследствие этого весьма усложняется реализация в промышленности стандарта на шероховатость поверхности (ГОСТ 2789—73). Таким образом, одной из важнейших проблем в области качества поверхности является изыскание методов обработки, обеспечивающих возможность образования на поверхности деталей регулярных, тонко управляемых, аналитически рассчитываемых микрорельефов. Работы в этом направлении ведутся во многих передовых промышленных странах.

Наиболее совершенным и универсальным методом образования регулярных микрорельефов в настоящее время является предложенный и разработанный автором метод вибрационного накатывания, основанный на тонком пластическом деформировании поверхностных слоев металла и сложном относительном перемещении обрабатываемой поверхности и деформирующего элемента.

За счет одновременного, независимого варьирования значений большого числа параметров режима вибрационного накатывания становится возможным образование регулярных микрорельефов различных видов. При этом практически в неограниченных пределах изменяются и регулируются значения как стандартизованных, так и нестандартизованных геометрических параметров качества поверхности.

Большим числом исследований, выполненных в ЛИТМО, в других учебных институтах и НИИ, выявлены оптимальные регулярные микрорельефы рабочих поверхностей многих пар, работающих в самых различных условиях.

Данные исследований свидетельствуют, с одной стороны, об универсальности нового направления оптимизации микрогеометрии образованием регулярных микрорельефов способом вибрационного накатывания, а с другой —об его эффективности при решении самых различных задач совершенствования контактов твердых тел с твердыми телами, жидкостями и газами. При этом не только улучшаются эксплуатационные характеристики пар, но и снижаются требования к шероховатости поверхности, исключаются из технологического процесса трудоемкие и дорогостоящие операции (доводка, шабрение, хонингование, полирование, покрытия, термическая обработка).

Следовательно, сокращается цикл изготовления деталей и снижается стоимость обработки, упрощается конструкция деталей (исключаются масляные канавки, упорные бурты в неподвижных соединениях, дополнительные крепления к прессовым соединениям и др.).

Особенности процесса вибронакатывания: а) независимое регулирование шага и высоты неровностей, что неосуществимо при резцовой и абразивной обработке; б) независимое регулирование направления канавок или выступов полностью нового микрорельефа; в) образование микрорельефов с радиусами скруглений выступов и впадин на один-два порядка большими, чем при всех известных способах обработки, с малыми углами наклона — пологими неровностями, с предельно малой длиной линии профиля; при этом число выступов и впадин неровностей на единице площади может рассчитываться и выдерживаться с практически абсолютной точностью.

Технологические и метрологические отличия регулярных микрорельефов от шероховатости поверхностей деталей машин и приборов определяют и особенности решения в целом проблемы качества поверхности во всех ее четырех аспектах: нормирование конструктором геометрических параметров качества поверхности, технологическое их обеспечение, контроль и стандартизация.

Эти особенности сводятся к следующему.

Поскольку регулярные микрорельефы (как с системой канавок, так и полностью новые), создаваемые способом вибрационного накатывания, отличаются от традиционных, образуемых при всех других способах обработки, однородностью всех геометрических параметров, строго функционально связанных с параметрами режима, практически впервые конструктор получает возможность нормировать параметры микрорельефа, задавая их на основе аналитических расчетов или эксперимента через параметры режима вибрационного накатывания. Это—первая особенность решения проблемы качества поверхности с регулярным микрорельефом.

При образовании регулярных микрорельефов появляется возможность нормирования и технологического обеспечения таких аналитически рассчитываемых геометрических параметров, как число выступов и впадин на единицу поверхности, длина профиля, коэффициент заполнения, радиус выступов и впадин, являющихся во многих случаях основными, определяющими эксплуатационные свойства поверхностей (например, фактическую площадь контакта твердых тел с различными фазами, отражательную способность, гидроплотность, сопротивление коррозионному растрескиванию, электрическую прочность и пр.). Это — вторая особенность решения проблемы качества поверхности с регулярным микрорельефом.

Поскольку значения параметров регулярного микрорельефа с высокой точностью воспроизводятся при данном режиме вибрационного накатывания, исключается необходимость их измерения с помощью приборов или эталонных образцов. Достаточен контроль лишь параметров режима вибрационного накатывания. Это — третья особенность.

Имеются все предпосылки для дополнения комплекса параметров стандарта, на регулярные микрорельефы, такими параметрами, как радиусы скругления выступов и впадин неровностей, угол наклона образующей выступа, коэффициент заполнения, длина линии профиля. Это —четвертая особенность.

Анализ перечисленных особенностей свидетельствует не только о новизне подхода к решению проблемы качества поверхности, но и о его прогрессивности, поскольку повышается точность и надежность нормирования конструктором и технологического обеспечения технологом качества поверхности, значительно упрощается и удешевляется его контроль, на качественно новый, более высокий уровень поднимается стандарт на шероховатость поверхности. Все это облегчает решение задачи повышения качества промышленной продукции.