Физическая сущность процесса изменения состояния технологической системы

1. Физическая сущность процесса изменения состояния технологической системы

2.

Причины потери
работоспособности ТС
Потеря
работоспособности
ТС
Параметрические
отказы
Функциональные
отказы
Параметрические отказы ТС, как правило, возникают
при чистовой и отделочной обработке заготовок;
функциональные при черновой.

3.

Причины потери
работоспособности ТС
Параметрические отказы
Одним из основных факторов возникновения
параметрических отказов ТС являются повреждения
инструмента:
● износ (80 % отказов);
● пластическая деформация;
● разрушение.

4.

Причины потери
работоспособности ТС
Функциональные отказы
Одним из основных факторов возникновения
функциональных отказов ТС являются:
● остаточные деформации;
● усталостные разрушения;
● старение;
● коррозия;
● изнашивание поверхностей трения (50…80 % отказов).

5.

Влияние качества поверхностного
слоя на эксплуатационные
свойства деталей
Надежность работы детали, узла и ТС в целом
во многом определяется качеством поверхностного
слоя.
Поверхностный слой слой металла с измененной структурой, фазовым и химическим составом по сравнению с основным металлом, из которого изготовлена деталь.

6. Параметры качества поверхностного слоя

Качество
поверхностного слоя
Геометрические
параметры
Макрогеометрия
Микрогеометрия
Волнистость
Физико-механическое
состояние
Структура
Микротвердость
Остаточные
напряжения
Эксплуатационные свойства деталей
Износостойкость, усталостная прочность, антикоррозионные
свойства, сопротивление схватыванию, прочность посадок,
контактная жесткость, обтекаемость поверхности и т.д.

7.

Геометрические характеристики
изделия
Макрогеометрические отклонения:
отклонения расположения (ориентации,
местоположения) поверхностей;
отклонения формы поверхности;
S / H 1000.
Волнистость:
40 S / H 1000.
Микрогеометрические отклонения:
шероховатость поверхности
S / H 40 .

8.

Геометрические характеристики
изделия
+
0
Es – действит.
S
T
L
Прилегающий
профиль
EP
шероховатость
Реальный
профиль
EF
L – действит.
Rmax

9.

Параметры шероховатости
Классификация основных параметров шероховатости поверхности
Группа
параметров
Параметр шероховатости
наименование
Наибольшая высота
неровностей профиля
Высотные
Шаговые
Параметр формы
Высота неровностей
профиля по десяти точкам
обозначение
R max
Rz
Среднее арифметическое
отклонение профиля
Средний шаг неровностей
профиля
Средний шаг местных
выступов профиля
Sm
Относительная опорная
длина профиля
tp
Ra
S

10.

Параметры шероховатости
ℓ
Smi
Si
bi
Линия впадин
RV
Rp
p
yp5
yV
5
Rmax
yV
yV
1
i
yi
yV
1
yp
i
Линия выступов

11.

Направление неровностей
Вид
Вид
Условное
Условное
Изображение направления
Изображение направления
обозначение
обозначение
неровностей
неровностей
Параллельное
Кругообразное
C
Перпендикулярное
Радиальное
R
Точечное
P
Перекрещивающееся
Произвольное
Х
M

12.

Относительная опрная длина
профиля
0
25
p, %
50
75
100
0
25
tp , %
50
75
100

13.

Параметры волнистости
Параметры волнистости стандартом не
регламентированы, но на практике используются:
● высота волнистости Wz ;
● наибольшая высота волнистости Wmax ;
● средний шаг волнистости Sw .
Волнистость, как правило, имеет синусоидальный
характер, что является следствием колебаний в ТС,
возникающих из-за неравномерности сил резания,
наличия неуравновешенных масс, погрешностей
привода и т.п.

14.

Классификация допусков и
отклонений формы
Цилиндрическая
поверхности
Плоскостность
профиля
Прямолинейность
(в плоскости)
Круглость
(в поперечном сечении
цилиндра)
Отклонение профиля
продольного*)
Цилиндричсечения
ность
(в продольном сечении
цилиндра)
Прямолинейность
образующей
Прямолинейность оси
*) По ГОСТ 24642.
Частные виды показателя
Плоская
Отклонения и допуски формы
Комплексные показатели
Вид
поверхности
Выпуклость
Вогнутость
Овальность
Огранка
Конусообразность
Бочкообразность
Седлообразность

15.

Взаимосвязь геометрических параметров качества
поверхностей деталей с их эксплуатационными
свойствами
Эксплуатационные
свойства
деталей
Ra
Износостойкость:
сухое трение
граничное
трение
жидкостное
трение
Контактная
жесткость
Прочность
сопряжений
Герметичность
Виброустойчивость
Усталостная
прочность
Коррозийная
стойкость
Прочность сцепления с покрытиями
Геометрические параметры качества поверхности
Шероховатость
Волнистость
Rz Rmax Sm
S
tp
Wz
Wmax
Подвижные соединения
Отклонение формы
Sw
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Неподвижные соединения
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Свободные поверхности
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Примечания:
1. В рамку заключены характеристики, оказывающие основное влияние на указанное эксплуатационное свойство.
2. 2. – наибольшая высота макроотклонений.

16.

Формирование шероховатости
на этапе приработки
Ra,
мкм
U
Ra
t пр
t нор
t прогр.
t, ч
opt
t, ч

17.

Зависимости величины износа U (а) и усталостной
прочности 1 (б) деталей от их микрогеометрии (Ra)
U,
мкм
1,
мкм
Ra opt
Ra opt
Ra, мкм
Ra, мкм

18.

Формирование шероховатости
поверхности
На образование шероховатости при механической
обработке оказывают влияние следующие факторы:
● геометрия и микрогеометрия режущей части
инструмента и кинематика его рабочего движения
относительно обрабатываемой поверхности;
● колебательные (высокочастотные колебания до
5000 Гц) перемещения инструмента;
● упругие и пластические деформации материала
заготовки;
● вырывание материала и перенос его на
поверхность инструмента.

19.

Формирование волнистости
поверхности
При механической обработке заготовок происходят
нежелательные взаимные перемещения инструмента и
заготовки, приводящие к образованию волнистости
поверхности.
Основными причинами образования волнистости
являются:
● гармонические колебания инструмента и
заготовки (колебания со средними частотами);
● отжатие заготовки;
● технологическая наследственность.

20.

Формирование макроотклонений
Макроотклонения поверхности при механической
обработке определяются следующими факторами:
● геометрической неточностью ТС;
● разностью упругих деформаций ТС при обработке
поверхностей;
● температурными деформациями ТС;
● износом режущего инструмента.

21.

Формирование шероховатости
поверхности
Точение
Rz , мкм
8
S
Ra f
V jТС
6
2
1
4
2
0
S – подача, мм/об (основное
влияние);
V – скорость резания, м/мин;
t – глубина резания, мм.
1 – теоретическая кривая;
2 – экспериментальная
кривая
0,06
0,12
0,18
0,24
S, мм/об

22.

Формирование шероховатости
поверхности
Vк
Z
Y
Ra
S
t
St
Sn
Vк
t
X
Vз
Элементы режима резания при
шлифовании
Vк , S, t
Качественная картина изменения
шероховатости Ra обработанной
поверхности при шлифовании

23.

Физико-механическое состояние
поверхностного слоя
Одной из характеристик физико-механического состояния
поверхностного слоя является его деформационное упрочнение. Показателями деформационного упрочнения являются
глубина hн и степень Uн наклепа
H max H исх
Uн
100% ,
H исх
где Hmax и Hисх соответственно максимальная микротвердость
поверхностного слоя и сердцевины детали, МПа.
Степень наклепа Uн при механической обработке может
достигать 60%, а глубина наклепа hн изменяется от
(0,02…0,03) мм при шлифовании, до нескольких мм – при
обработке заготовок деталей поверхностно-пластическим
деформированием (например, алмазным выглаживанием).

24.

Физико-механическое состояние
поверхностного слоя
Деформационное упрочнение
Эпюра изменения
микротвердости Н
поверхностного слоя
детали после шлифования
H,
МПа
Hисx
Hmax
0
hн
h, мм

25.

Физико-механическое состояние
поверхностного слоя
Остаточные напряжения
По причинам возникновения остаточные напряжения
могут быть:
● технологическими;
● эксплуатационными.
Технологические остаточные напряжения формируются в поверхностных слоях деталей при их различной
обработке (точении, шлифовании и т.п.) и при восстановлении (наплавке, заварке, напылении).
Эксплуатационные остаточные напряжения формируются в результате многократно повторяющейся при
работе изделия пластической деформации, повышения
температуры и присутствия в зоне контакта газовых и
жидких сред.

26.

Физико-механическое состояние
поверхностного слоя
Остаточные напряжения
По протяженности силового поля остаточные
напряжения разделяются на:
Напряжения первого рода (макронапряжения)
охватывают область, соизмеримую с размерами
детали;
Напряжения второго рода (микронапряжения)
распространяются на отдельные зерна металла или
границу зерен;
Напряжения третьего рода (субмикронапряжения) связаны с искажением атомной решетки
кристалла.

27.

Физико-механическое состояние
поверхностного слоя
Эпюра остаточных напряжений после точения
+
,
Мпа
0
max
h
h = (0,06 … 0,15) мм
h, мм
max
h
+ max
max = (400 … 600) Мпа;
max
h

28.

Физико-механическое состояние
поверхностного слоя
Эпюра остаточных напряжений после ППД
,
+
Мпа
+ max
0
h, мм
max = (700 … 800) Мпа;
max
h = (0,5 … 2,0) мм
h
max

29.

Формирование остаточных
напряжений
Основными причинами возникновения
технологических макронапряжений являются:
силовые воздействия, вызывающие остаточную
деформацию металла (способствует
образованию остаточных напряжений сжатия);
нагрев локальных объемов поверхностных
слоев (способствует образованию остаточных
напряжений растяжения);
фазовые превращения металла.

30.

Формирование остаточных
напряжений
Основными причинами возникновения
технологических микронапряжений являются:
● фазовые превращения металла, порождающие
значительные межзёренные напряжения;
● изменение температуры поверхностных слоёв,
приводящее к возникновению в металле различных
по природе компонентов с различными
коэффициентами линейного расширения;
● анизотропия механических свойств в отдельных
зёрнах, в результате неравномерной пластической
деформации.

31.

Мероприятия по снижению
остаточных напряжений
1. Выравниевание структуры путем
термической обработки, например,
отпуска или старения.
2. Релаксация остаточных напряжений с
помощью вибро- или ультразвуковой
обработки.

32.

Понятие о трении
Причиной изнашивания является трение.
Согласно ГОСТ 27674-88 (Трение, изнашивание и
смазки. Термины и определения) внешнее трение
(трение) – явление сопротивления относительному
перемещению, возникающее между двумя телами
в зонах соприкосновения поверхностей по касатель-
ным к ним.
Трение – friction.

33.

Классификация видов трения
Виды трения по наличию и характеру движения
ПОКОЯ
ТРЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
ТРЕНИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ
ТРЕНИЕ КАЧЕНИЯ
(возникает при движении
соприкасающихся тел,
скорости в точках
касания различны)
(при трении качения
скорости в точках
касания одинаковы
по величине и
направлению)

34.

Классификация видов трения
Виды трения по наличию смазки
ТРЕНИЕ
Трение без
смазки
Граничное
трение
Жидкостное
трение
Полужидкостное трение

35.

Понятие об износе и изнашивании
Наиболее характерным видом повреждения
деталей при трении является износ.
Износ – это результат изнашивания, определяемый в
установленных единицах (единицах длины, объема, массы
и др.).
Изнашивание – процесс отделения материала с
поверхности твердого тела и (или) увеличения его
остаточной деформации при трении, проявляющийся в
постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

36.

Виды изнашивания
В зависимости от превалирующего процесса
разрушения поверхности изнашивание
разделяется на следующие виды

37.

Закономерности изнашивания
Количественным показателем изнашивания является
износ.
Линейный износ детали можно оценить по формуле
U = J t , мкм
где J – интенсивность изнашивания в мкм/м;
– скорость относительного скольжения в м/ч;
t – время работы изделия в часах.

38.

Закономерности изнашивания
Интенсивность изнашивания J есть функция
качества материала трущихся пар и его поверхностного слоя, смазки, давления и скорости.
J = (E, o, м, Нм, Rmax, tp, P),
где Е – модуль упругости, o – фрикционная усталость
материала (кчс/см2), м – молекулярная составляющая
коэффициента трения, Нм – твердость материала, Rmax
и tp – параметры шероховатости, Р – давление трущихся поверхностей.

39.

Закономерности изнашивания
Теоретически скорость изнашивания определяется по формуле:
Vи = dU / dt ,
то есть отношение величины износа ко времени,
в течении которого он возник.
Практически скорость изнашивания определяют
Vи = J .
Износостойкость (wear resistance) – свойство
материала оказывать сопротивление изнашиванию в
определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания (ч/мкм или м/мкм).
1/J м/мкм; 1/Vи ч/мкм.

40.

Периоды изнашивания деталей
U,
tпр
tнор
tпрогр
Vu (J)
Uпред
U
Vu , J
tри
t
U – линейный износ, мкм;
Vи – скорость износа, мкм/ч;
J – интенсивность износа, мкм/м (км);
t – наработка в ч;
tри – ресурс детали по критерию износа;
U пред – предельный износ.

41.

Оценка надежности по критерию
износостойкости
Предельный износ – износ, соответствующий
предельному состоянию изнашиваемого изделия
или его составной части (ГОСТ 30479).
Технический ресурс детали по критерию износа tри
можно определить по формуле
Uпред
tри tп V ,
и
где U пред – предельный износ, мкм;
Vи – скорость изнашивания, мкм/ч;
tп – время приработки, ч.

42.

Оценка надежности по критерию
износостойкости
Если учитывать, что рассеивание размеров детали и
скорости изнашивания подчиняются нормальному закону
распределения, вероятность безотказной работы можно
определить с помощью нормируемой функции Лапласа
Ф0(z)
U
Δ
а
V
t
u
пред
,
P t 0,5 Ф0
2
2
2
σ
σ
t
а
V
где а – отклонение среднего значения действительного размера деталей от
номинального а, мкм (знак "–" перед а ставят при отклонении среднего размера в
сторону его уменьшения у "вала" и увеличения у "отверстия", в противном случае
ставят знак "+");
а – среднее квадратическое отклонение размера деталей, мкм;
Vu – математическое ожидание скорости изнашивания, мкм/ч;
V – среднее квадратическое отклонение скорости изнашивания, мкм/ч;
t – наработка изделия, в ч.

43.

Оценка надежности при линейном законе
изнашивания
ГРАФИК

44.

Оценка надежности по критерию
износостойкости
Характерные значения безразмерной интенсивности
изнашивания J различных деталей
Изнашиваемая деталь
Направляющие станков
Режущий инструмент:
‒ износ по задней грани
‒ износ по передней грани
Калибры из твердого сплава
Зубчатые колеса реверсивных
механизмов:
‒ цилиндрические
‒ конические
Коленчатые валы двигателей
автомобилей:
‒ шатунные шейки
‒ коренные шейки
Значение J
Примечание
2 10‒9…4 10‒10
Чугун ‒ чугун
1,1 10‒8
2,2 10‒8
110‒10
Т5К10 ‒ сталь
40Х, без СОЖ
‒
1,5 10‒11
6,3 10‒12
Сталь 45‒сталь 45
Сталь 45‒сталь 45
4 10‒11…5 10‒12
1,6 10‒11…1,8 10‒12
Сталь ‒
подшипниковый
сплав

45.

Оценка надежности по критерию
износостойкости
В соответствии с ГОСТ 30479-97 (Обеспечение износостойкости изделий. Методы определения предельного износа,
обеспечивающие требуемый уровень безопасности) можно
выделить три группы критериев предельного износа :
● в результате износа происходит скачкообразное изменение состояния изделия, приводящее его в
опасное состояние для человека или окружающей
среды (заклинивание механизма, поломка деталей, самовыключение
или самовключение изделия);
● износ приводит к попаданию изделия или узла
в зону интенсивного выхода из строя (возникают удары,
вибрации изделия, интенсивный износ поверхностей, повышается
температура узлов);
● в результате износа характеристики машины
выходят за допустимые или рекомендуемые пределы (например, износ направляющих).