Поверхность. Поверхностный слой. Способы упрочнения поверхностного слоя. Общие понятия наноинженерии

В качестве интегральной характеристики напряженно – деформированного состояния ПС после механической обработки предлагается рассматривать скрытую энергию деформирования, т.е. энергию, накопленную обрабатываемым материалом в результате упрочнения. Экспериментально установлено, что в зависимости от условий обработки плотность скрытой энергии на единицу площади обработанной поверхности может изменяться от 10-4 до 0,6 Дж/см2. Это составляет менее 1% общей работы, затрачиваемой на резание [2].

Состояние граничной зоны ПС имеет ряд особенностей. У некоторых металлов при низких температурах решетка в граничной зоне имеет иную симметрию, чем в объеме. У других металлов значения межплоскостных расстояний в решетке вблизи поверхности и в объеме могут значительно различаться. Атомы решетки испытывают статические смещения, при чем величины этих смещений для атомов вблизи поверхности заметно выше чем в объеме (в 1,5-2 раза). Толщина граничной зоны поверхностного слоя обычно равна 5-10 межатомным расстояниям [1].

Технологические остаточные напряжения в тонком ПС не оказывают заметного влияния на изнашивание трущихся пар, т.к. в течение короткого времени работы они релаксируют и в поверхностном слое формируются остаточные напряжения сжатия. Однако если большие остаточные напряжения распространяются в поверхностном слое на значительную глубину (более 0,5 мм), то остаточные напряжения растяжения несколько увеличивают износ, а напряжения сжатия его уменьшают. Но по сравнению с шероховатостью остаточные напряжения оказывают на износ более слабое влияние.

Несовершенства геометрии поверхностного слоя, а также различного рода включения в нем могут вызвать напряжения сдвига в глубоких слоях поверхности, которые инициируют контактную усталость и распространение усталостных трещин [5].

По мнению А.Г. Суслова, учение об инженерии поверхностного слоя развивается по пяти научным направлениям:

1) установление  оптимальной формы и качества  рабочих поверхностей деталей  машин исходя из функционального  назначения;

2) технологическое  обеспечение необходимой формы  и качества поверхности деталей машин с наименьшей себестоимостью на стадиях проектирования и изготовления;

3) исследование  явления технологической наследственности  формы и качества поверхностного  слоя  деталей и их изменения  при эксплуатации;

4) Модификация  рабочих поверхностных слоев  деталей при изготовлении и ремонте; контроль формы и параметров качества поверхностей деталей и адаптивное управление.

К оценке характера влияния параметров качества поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей машин при обработке различными  технологическими методами большинство исследователей отмечают:

1. Качество  поверхностного слоя оказывает  существенное влияние на контактную  жесткость, трение и износ, герметичность  соединений, прочность посадок с натягом, сопротивление усталости, коррозионную стойкость и пр. эксплуатационные свойства деталей машин.

2. Снижение  шероховатости поверхности повышает  усталостную прочность и износостойкость. Важное значение имеют не только высотные параметры, но и форма и направление микронеровностей.

3.Упрочнение  поверхностного слоя в существенной  мере определяет износостойкость, усталостную прочность и долговечность  деталей машин.

4. Сжимающие  остаточные напряжения повышают  эксплуатационные свойства деталей  машин.

 

 

1.2. Влияние технологической наследственности на качество

поверхностного слоя

Рассмотрение производственных процессов изготовления изделий во времени, начиная с выбора материала для заготовки, обработки заготовок, сборки деталей, позволяет установить причины явлений и условий регулирования параметров технологических процессов, в ходе которых формируются свойства изделий. При этом появляются понятия о технологическом наследовании, технологической наследственности и наследственной информации в машиностроительном производстве.

Технологическое наследование – это явление переноса свойств объектов от предшествующих технологических операций к последующим. Эти свойства могут быть как полезные, так и вредные. Сохранение же этих свойств у объектов называют технологической наследственностью. В процессе передачи свойств важную роль играет так называемая наследственная информация. Она заключается в материале деталей и поверхностных слоях этих деталей. Информация представляет собой  большой перечень показателей качества. [10]

Блюменштейном В.Ю. [6] разработана концептуальная модель механики технологического наследования состояния поверхностного слоя на стадиях жизненного цикла детали и методология исследования механики технологического наследования. Концепция механики основана на учете, обобщении, систематизации и структурировании информации о качестве поверхностного слоя и представлена системными положениями механики технологического наследования, моделью процесса исчерпания запаса пластичности на стадиях жизненного цикла детали, моделями программ нагружения поверхностного слоя на стадиях резания, ППД и усталостного нагружения и функциональной моделью механики технологического наследования.

Явление технологической наследственности, современная наука позволяет описать с позиции протекающих в поверхностном слое явления с использованием положений механики деформируемых сред [6]. Согласно положениям механики деформируемых сред на всех стадиях жизненного цикла, включая резание, ППД и эксплуатационное усталостное нагружение детали, происходит непрерывное накопление деформаций и исчерпание запаса пластичности металла.

Состояние поверхностного слоя после каждой стадии нагружения определяется предложенной системой наследственных уравнений, описывающих параметры очагов деформации, программы нагружения и состояние поверхностного слоя, а общее описание проявления наследственности при формировании программы нагружения   этапа при наличии   предшествующих этапов представлено в виде функционала:

(1.1)

А.Г. Суслов, после серии проведенных им исследований [8], составил общую схему технологического наследования параметров качества поверхностного слоя (при лезвийной (а), отделочно-упрочняющей ППД обработке(б)), которая представлена на рис.1.9

а)

б)

Рис.1.9 Технологическое наследование основных параметров качества поверхностного слоя деталей.

Основное наследование;          второстепенное наследование

Безъязычным В.Ф.[9] рассчитаны режимы обработки, обеспечивающие комплекс параметров поверхностного слоя и точность обработки. Анализ указанной проблемы показал, что оптимальное управление процессом механообработки предполагает решение двухэтапной задачи: 1) назначение технологических условий обработки, обеспечивающих получение деталей заданной точности с требуемыми параметрами качества поверхностного слоя при стационарном протекании процесса резания, 2) задачи автоматизированного управления процессом обработки, позволяющего компенсировать нестабильность процесса, вызванного износом режущего инструмента, колебаниями припуска заготовки и другими факторами.

 

1.3. Инженерия поверхности деталей на этапах жизненного цикла

Исходя из вышесказанного, в соответствии с учением об инженерии поверхности изучение этого слоя необходимо осуществлять комплексно на всех стадиях жизненного цикла, который изображен на рис. 1.

Рис. 1.4. Этапы жизненного цикла инженерии поверхности деталей [11]

 

 

Этапы жизненного цикла инженерии поверхности деталей:

1) На стадии проектирования, исходя из функционального назначения детали следует определить размеры поверхности, ее форму, параметры, макроотклонения, волнистости, шероховатости и физико-химических свойств обеспечивающие оптимальную долговечность с наименьшими затратами при изготовлении, контроле, эксплуатации, ремонте, восстановлении и утилизации.

2) При технологической подготовке производства разрабатываются технологии формирования поверхностных слоев деталей, обеспечивающие их требуемое качество или эксплуатационные свойства при наименьшей суммарной себестоимости.

При реализации этого этапа необходимо учитывать все новейшие достижения технологии по формированию поверхностных слоев деталей, в том числе и методом их наращивания. Хорошо зарекомендовали себя в данном вопросе электронные, ионные, плазменные и нано- технологии. Кроме того технология в настоящее время должна позволять достаточно просто обеспечивать и закономерное изменение качества поверхности.

3) Важнейшим этапом в инженерии поверхности деталей является их изготовление. На этом этапе происходит процесс формирования поверхностей детали. Причем он начинается с получения заготовки и заканчивается окончательной чистовое обработкой, и каждый из этих методов оказывает определенное влияние на качестве поверхностного слоя готовой детали. Изучением влияния на формирование качества поверхностного слоя деталей предшествующих технологических переделов, операции или переходов занимается наука о технологической наследственности.

Этот этап для России в настоящее время является важнейшим вследствие складывающейся долгие годы психологии среди производственников, в частности рабочих, с возможности нарушения технологической дисциплины ради повышения выработки. Но завышенные режимы приводят к увеличению температурного и силового воздействия на обрабатываемые поверхности и к возникновению отрицательных остаточных напряжений, зачастую не контролируемых в условиях производства. Эти напряжения могут вызывать коробление детали при эксплуатации, появление поверхностных макротрещин и их разрушение.

Наряду с технологической дисциплиной качество поверхностного слоя деталей при изготовлении в значительной мере зависит от качества технологического оборудования и оснастки, которые должны подвергаться регулярной проверке на их соответствие нормам точности и жесткости. Для ликвидации влияния случайных факторов (колебания твердости заготовок, припусков, жесткости, затупление и износ инструмента и др.) на качество поверхностного слоя деталей при обработке разработаны различные адаптивные АСУ.

4) Инженерия поверхностного слоя деталей. Включает в себя контроль и испытания.

В настоящее время разработано много различных методов и приборов для контроля (в том числе и неразрушающего) как геометрических, так и физико-химических параметров качества поверхностного слоя деталей. В последнее время стали появляться методы и приборы для контроля и комплексных параметров качества поверхностных слоев деталей. Однако все они практически являются пассивными методами, констатирующими, что получилось в результате обработки поверхности, и служат для защиты потребителя от бракованных изделий.

Что касается экономической заинтересованности производителя, то для него особенно важно использование активного контроля непосредственно в процессе обработки, который бы позволял провести своевременную поднастройку технологической системы, чтобы избежать вообще брака, а следовательно и потерь от него. Для этой цели существуют отдельные методы активного контроля, в частности шероховатости и системы адаптивного управления. Если иметь в виду испытания поверхностных слоев деталей, то для этого разработано много различных методов по испытанию на контактную жесткость и прочность, коррозионную и износостойкость.

5) На этом этапе  происходит контактирование поверхностей деталей при сборке и осуществляется действительное взаимное расположение.

Причем качество контакта будет зависеть как от качества соединяемых поверхностей, так и от их взаимного положения при сборке.

В процессе сборки соединяемые поверхности в результате контактных деформаций будут претерпевать свои качественные изменения. Эти же контактные деформации приводят к частичному изменению взаимного положения отдельных поверхностей деталей при сборке, что будет сказываться на качестве изделия в целом.

6) Эксплуатация. На этом этапе могут происходить значительные изменения в качестве. Нормальные и касательные нагрузки на контактирующие поверхности деталей вызывают их упругие и пластические деформации, так как фактическая площадь контакта составляет 2...5 % от номинального значения, т.е. геометрической площади. Это приводит к изменению их геометрических и физико-механических параметров. Действия аналогичных нагрузок на неконтактирующие поверхности вызывает растяжение или сжатие поверхностных слоев, что изменяет их остаточные напряжения. Длительное циклическое воздействие нагрузок на поверхности грозит зарождением поверхностных микротрещин, которые могут вызывать как поверхностные, так и объемные разрушения деталей. Воздействие окружающей среды, особенно агрессивной (химически активной), на поверхность детали влечет за собой ее корродирование, появление микротрещин и разрушение.