Влияние волнистости и шероховатости поверхности на эксплуатационные свойства узлов и механизмов

Вол­нистость и ше­рохо­ватость по­вер­хнос­тей ока­зыва­ют зна­чительное вли­яние на ре­сурс под­вижных и на­деж­ность не­под­вижных со­еди­нений.

В под­вижных со­еди­нени­ях из-за вол­нистос­ти и ше­рохо­ватос­ти фак­ти­чес­кая (ре­альная) пло­щадь кон­такта в 3—5 раз меньше но­минальной, оп­ре­деля­емой но­минальны­ми раз­ме­рами соп­ря­га­емых по­вер­хнос­тей от­вер­стия и ва­ла. Это при­водит к уве­личе­нию дав­ле­ния в точ­ках кон­такта и раз­ры­ву мас­ля­ного слоя. Дав­ле­ние при этих ус­ло­ви­ях ста­новит­ся та­ким, что уп­ру­гие де­фор­ма­ции не­ров­ностей пе­рехо­дят в плас­ти­чес­кие, и это сгла­жива­ет не­ров­ности. Кро­ме то­го, при раз­ры­ве мас­ля­ного слоя и большом дав­ле­нии про­ис­хо­дит схва­тыва­ние от­дельных не­ров­ностей и вы­рыва­ние час­тиц ме­тал­ла. Дан­ные про­цес­сы соп­ро­вож­да­ют­ся зна­чительным по­выше­ни­ем тем­пе­рату­ры, что в та­ких со­еди­нени­ях, как ко­лен­ча­тый вал—вкла­дыши, при­водит к вып­лавле­нию ан­тифрик­ци­он­но­го слоя. Да­же ес­ли при этом раз­ру­шение соп­ря­га­емых по­вер­хнос­тей не про­ис­хо­дит, то все рав­но наб­лю­да­ют­ся ус­ко­рен­ный из­нос по­вер­хнос­тей и зна­чительное уве­личе­ние за­зора. Эти про­цес­сы про­дол­жа­ют­ся до тех пор, по­ка вы­сота и фор­ма не­ров­ностей не дос­тигнут оп­ре­делен­но­го ста­бильно­го зна­чения. По­луча­ющу­юся при этом ше­рохо­ватость на­зыва­ют оп­ти­мальной. Она ха­рак­те­ризу­ет­ся оп­ре­делен­ны­ми вы­сотой, ша­гом и фор­мой не­ров­ностей.

Важ­но от­ме­тить, что ес­ли не­ров­ности по­вер­хнос­ти пер­во­начально меньше оп­ти­мально­го зна­чения, то че­рез оп­ре­делен­ный про­межу­ток вре­мени, рав­ный пе­ри­оду при­работ­ки, вы­сота не­ров­ностей уве­личит­ся и так­же бу­дет близ­ка к оп­ти­мальной. Чем больше пер­во­начальная ше­рохо­ватость от­ли­ча­ет­ся от оп­ти­мальной, тем больший из­нос име­ет по­вер­хность в пе­ри­од при­работ­ки и тем на большее зна­чение сок­ра­тит­ся тех­ни­чес­кий ре­сурс со­еди­нения.

Ше­рохо­ватость по­вер­хнос­ти вли­яет так­же на ус­та­лос­тную проч­ность де­талей, так как не­ров­ности яв­ля­ют­ся кон­цен­тра­тора­ми нап­ря­жений. По­это­му де­тали, ра­бота­ющие в ус­ло­ви­ях зна­копе­ремен­ных наг­ру­зок, не дол­жны иметь гру­бо об­ра­ботан­ных по­вер­хнос­тей с больши­ми не­ров­ностя­ми.

Впа­дины не­ров­ностей яв­ля­ют­ся ре­зер­ву­ара­ми, в ко­торых скап­ли­ва­ют­ся во­да и дру­гие жид­кости, по­это­му по­вер­хнос­ти с больши­ми не­ров­ностя­ми осо­бен­но под­верже­ны кор­ро­зии. В мес­тах уп­лотне­ний, где тре­бу­ет­ся гер­ме­тич­ность, большая вы­сота не­ров­ностей так­же вред­на. Как пра­вило, чем меньше до­пуск на об­ра­бот­ку, тем меньшей по­луча­ет­ся вы­сота не­ров­ностей. В то же вре­мя пря­мой за­виси­мос­ти меж­ду до­пус­ком и вы­сотой не­ров­ностей нет.

Иног­да при большом до­пус­ке на об­ра­бот­ку наз­на­ча­ют ше­рохо­ватость с ми­нимальной вы­сотой не­ров­ностей для при­дания де­кора­тив­но­го ви­да по­вер­хнос­ти или для обес­пе­чения на­деж­ной за­щиты ее от кор­ро­зии. По­рой при ми­нимальных до­пус­ках на об­ра­бот­ку по­луча­ют по­вер­хнос­ти со срав­ни­тельно больши­ми не­ров- нос­тя­ми, на­деж­но удер­жи­ва­ющие смаз­ку (нап­ри­мер, по­вер­хнос­ти пор­шней, нап­равля­ющих стан­ков, раз­личных са­лазок).

Ше­рохо­ватость по­вер­хнос­ти — фак­тор уп­равля­емый, за­вися­щий от ре­жимов ре­зания, ви­да ре­жуще­го инс­тру­мен­та и ох­лажда­ющей жид­кости и, на­конец, от ви­да об­ра­бот­ки.

При из­го­тов­ле­нии и вос­ста­нов­ле­нии де­талей под­вижных со­еди­нений в большинс­тве слу­ча­ев сле­ду­ет стре­миться к по­луче­нию ше­рохо­ватос­ти, близ­кой к оп­ти­мальной.

В не­под­вижных со­еди­нени­ях ше­рохо­ватость по­вер­хнос­тей де­талей зна­чительно вли­яет на их на­деж­ность. При нап­рессов­ке де­талей со­еди­нений с на­тягом про­ис­хо­дит час­тичное сгла­жива­ние не­ров­ностей, при этом из­ме­ня­ет­ся на­тяг, ко­торый в соб­ранном со­еди­нении бу­дет меньше рас­четно­го. Это при­ведет к уменьше­нию проч­ности со­еди­нения. С уменьше­ни­ем вы­соты не­ров­ностей вли­яние ше­рохо­ватос­ти ста­новит­ся меньшим.

Из ска­зан­но­го сле­ду­ет, что обос­но­ван­ное наз­на­чение ше­рохо­ватос­ти по­вер­хнос­ти с оп­ре­делен­ны­ми па­рамет­ра­ми — важ­ный фак­тор по­выше­ния на­деж­ности и дол­го­веч­ности со­еди­нений и ма­шины в це­лом.

При наз­на­чении па­рамет­ра ше­рохо­ватос­ти мож­но ори­ен­ти­роваться на на­ибольшие до­пус­ти­мые зна­чения па­рамет­ра Ra в за­виси­мос­ти от до­пус­ков на раз­мер и фор­му, оп­ре­деля­емые для сле­ду­ющих ус­ло­вий:

• при до­пус­ке 60% от до­пус­ка на раз­мер — Rа ≤ 0,05 T;
• при до­пус­ке 40% от до­пус­ка на раз­мер — Rа ≤ 0,025 T;
• при до­пус­ке 25% от до­пус­ка на раз­мер — Rа ≤ 0,012 T.

В Рос­сии дол­гое вре­мя ос­но­вопо­лага­ющим стан­дартом был ГОСТ 2789—73. В нем оп­ре­деле­но, ка­кие па­рамет­ры ше­рохо­ватос­ти по­вер­хнос­ти дол­жны при­меняться в на­шей стра­не при ус­та­нов­ле­нии тре­бова­ний в тех­ни­чес­кой до­кумен­та­ции на чер­те­жах и при кон­тро­ле ше­рохо­ватос­ти по­вер­хнос­ти.

С раз­ви­ти­ем тех­ни­ки и тех­но­логии по­яви­лась не­об­хо­димость бо­лее пол­ной и раз­носто­рон­ней оцен­ки и опи­сания мик­ро­ге­омет­рии по­вер­хнос­ти. Шесть по­каза­телей ка­чес­тва, нор­ми­ру­емые ГОСТ 2789—73, уже не мо­гут опи­сать всю мик­ро­ге­омет­рию по­вер­хнос­ти и, сле­дова­тельно, ее фун­кци­ональные свойства. С сок­ра­щени­ем вы­пус­ка оте­чес­твен­ных про­фило­мет­ров на ры­нок стран СНГ пос­ту­па­ют при­боры за­рубеж­но­го про­из­водс­тва, осу­щест­вля­ющие из­ме­рения па­рамет­ров ше­рохо­ватос­ти, нор­ми­рован­ные стан­дарта­ми Меж­ду­народ­ной ор­га­низа­ции по стан­дарти­зации (ISO) и раз­ра­ботан­ны­ми на ба­зе их ре­ги­ональны­ми (EN) и на­ци­ональны­ми стан­дарта­ми. Не­кото­рые из этих па­рамет­ров су­щес­твен­но от­ли­ча­ют­ся от ус­та­нов­ленных ГОСТ 2789—73. Как следс­твие не­воз­можность кор­рек­тно­го со­пос­тавле­ния ре­зульта­тов, по­лучен­ных раз­ны­ми ис­сле­дова­теля­ми.

По­это­му бы­ли при­няты на­ци­ональные стан­дарты, рег­ла­мен­ти­ру­ющие но­вые по­каза­тели, опи­сыва­ющие мик­ро­ге­омет­рию. В ка­чес­тве ос­но­вы взят опыт за­рубеж­ных го­сударств. В пос­леднее вре­мя в на­шей стра­не вве­дены в действие сле­ду­ющие стан­дарты, рег­ла­мен­ти­ру­ющие по­каза­тели оцен­ки мик­ро­ге­омет­рии по­вер­хнос­ти:

ГОСТ Р ИСО 4287—2014 «Ге­омет­ри­чес­кие ха­рак­те­рис­ти­ки из­де­лий (GPS). Струк­ту­ра по­вер­хнос­ти. Про­фильный ме­тод. Тер­ми­ны, оп­ре­деле­ния и па­рамет­ры струк­ту­ры по­верх­нос­ти»;

ГОСТ Р ИСО 25178-2—2014 «Ге­омет­ри­чес­кие ха­рак­те­рис­ти­ки из­де­лий (GPS). Струк­ту­ра по­вер­хнос­ти. Аре­ал. Часть 2. Тер­ми­ны, оп­ре­деле­ния и па­рамет­ры струк­ту­ры по­вер­хнос­ти»;

ГОСТ Р ИСО 16610-21—2015 «Го­сударст­вен­ная сис­те­ма обес­пе­чения единс­тва из­ме­рений. Ге­омет­ри­чес­кие ха­рак­те­рис­ти­ки из­де­лий (ГХИ). Фильтра­ция. Часть 21. Ли­нейные про­фильные фильтры. Фильтры Га­ус­са».