GEOMETRYCZNA STRUKTURA POWIERZCHNI
O geometrycznej strukturze powierzchni decydują następujące odchylenia:
Pojedyncze, makrogeometryczne odchylenia od zadanego kształtu (właściwie błędy kształtu powierzchni — eliptyczność, stożkowość powierzchni cylindrycznych itd.).
Systematycznie powtarzające się liczne odchylenia makrogeometryczne (falistość) — Hf.
3) Odchylenia mikrogeometryczne (chropowatość) — H„.
Różnice pomiędzy tymi rodzajami odchyleń charakteryzuje skok L i stosunek skoku L do wysokości nierówności H (rys. 10). Tak więc dla makronierówności pierwszego rodzaju charakterystyczny jest stosunek
— > 1000, tj. mała wysokość przy znacznej podstawie nierówności, dla
makronierówności drugiego rodzaju (falistość) —stosunek = 30 — 1000,
dla mikronierówności — stosunek — = 0 — 50.
Pojęcie gładkości powierzchni dotyczy jej mikrogeometrii, tj. prawidłowości kształtu na małych wycinkach powierzchni.
Pojęcie jakości powierzchni obejmuje odchylenia struktury powierzchni drugiego i trzeciego rodzaju jak i fizyczne własności warstwy powierzchniowej.
Jakość powierzchni ma wielkie znaczenie dla pracy części w maszynie. Wpływa ona na zużywanie się trących powierzchni. Im bardziej chropowata jest trąca powierzchnia, tym szybciej ścierają się wystające wierzchołki nierówności tej powierzchni. Wynika to stąd, że przy tarciu suchym trące o siebie powierzchnie stykają się wierzchołkami nierówności, przez co nacisk jednostkowy na nie staje się większy. Występy te ulegają zgniataniu lub ścinaniu przy ruchu jednej powierzchni po drugiej.
W razie stosowania smaru jego błonka może być rozrywana przez wierzchołki nierówności i w tych miejscach może nastąpić tarcie suche.
Schemat przebiegu procesu ścierania trących się powierzchni przedstawiono na rys. 11. Na początku następuje przyspieszone ścieranie początkowe (odcinek I), podczas którego zostają usunięte najbardziej wystające nierówności powierzchni. Okres ten odpowiada docieraniu trących się powierzchni. W.tym czasie luz pomiędzy stykającymi się częściami szybko się powiększa. Następnie ścieranie jest wolniejsze (odcinek II) aż w końcu następuje niszczenie trących się. Proces ścierania powierzchni za-
leży od różnych czynników (szybkości wzajemnego przemieszczania się trących się powierzchni, ich odciążenia, rodzaju smarowania itp.). Spośród tych czynników znaczną rolę odgrywa jakość powierzchni — jej gładkość i stan fizyczny warstwy powierzchniowej.
Jest rzeczą zrozumiałą, że znaczne powiększenie z góry założonego luzu między trącymi się powierzchniami pogarsza pracę połączenia. Dla osiągnięcia zatem normalnej długotrwałości pracy współpracującej pary części jest rzeczą konieczną zapewnienie, aby przy obróbce odpowiednie granice wysokości występów na powierzchni części nie były przekraczane.
Udowodniono doświadczalnie, że nie zawsze najgładsza powierzchnia jest najbardziej odporna na ścieranie. Przy zbyt gładkich stykających się powierzchniach i przy wielkich naciskach jednostkowych smar na powierzchni nie utrzymuje się, lecz jest wyciskany, co pociąga za sobą wzmożone zużywanie się powierzchni. Dlatego dla różnych warunków współpracy trących się powierzchni powinny być ustalone różne granice dopuszczalnej chropowatości.
Zwykle od stopnia gładkości powierzchni zależy również wytrzymałość części. Ogólnie wiadomo, jak np. zostaje osłabione szkło przez nacięcie na nim diamentem małej rysy (co wykorzystujemy przy przecinaniu szkła). Tak samo, jeśli na powierzchni części metalowej występują rysy, powstaje w tych miejscach koncentracja naprężeń, wskutek czego zmniejsza się zmęczeniowa wytrzymałość części. Im bardziej gładko jest obrobiona powierzchnia części stalowej, tym część ta jest wytrzymalsza.
Z tego punktu widzenia szczególne znaczenie ma gładkość powierzchni silnie obciążonych stalowych (zwłaszcza hartowanych) części. Wytrzymałość części wykonanych z żeliwa i ze stopów metali nieżelaznych w mniejszym stopniu zależy od gładkości ich powierzchni.
Od jakości powierzchni, zwłaszcza od gładkości obróbki, uzależniona jest wytrzymałość połączeń spoczynkowych. Osiągany rzeczywisty wcisk przy wtłaczaniu części o powierzchni chropowatej jest inny niż przy wtłaczaniu części o powierzchni gładkiej, jeśli wielkość średnicy jest ta sama.
Wynika to stąd, że część jest mierzona wg wierzchołków występów. Zostają one zgniecione w czasie wtłaczania i przestrzeń zajmowana przez metal ściśnięty przy wciskaniu jest w tym przypadku mniejsza od obliczeniowej .
Od jakości powierzchni, a w szczególności od jej gładkości jest uzależniona odporność na korozję. Korodujące oddziaływanie gazów i cieczy (powietrza, wody i smaru itp.) na powierzchnię chropowatą jest większe niż na powierzchnię gładką, ponieważ substancje te mogą gromadzić .się w zagłębieniach pomiędzy występami, gdzie oddziałują aktywniej. Ich oddziaływanie jest skierowane w głąb metalu, przy czym przeżerają one podstawy występów, które w trących się powierzchniach mogą odrywać się pod wpływem sił tarcia. W utworzonych w ten sposób wyrwach korozja przebiega jeszcze intensywniej.
Rozpatrywanie przyczyn powstawania błędów makrogeometrycznych (właściwie błędów kształtu) należy do zagadnień dokładności obróbki powierzchni.
Dalej rozpatrzono zagadnienia związane z przyczynami powstawania falistości i chropowatości powierzchni.
Falistość powierzchni jest zasadniczo zależna od drgań w czasie mechanicznej obróbki części. Zjawiska te nie są jeszcze dokładnie poznane, jednakże prace badaczy radzieckich prof. P. E. Djaczenko, prof. A. J. Kaszirina, prof. A. P. Sokołowskiego, K. W. Wotinowa ułatwiły w znacznym stopniu zrozumienie zależności przy powstawaniu drgań obrabiarki, narzędzia i obrabianej części oraz znalezienie sposobów usunięcia odpowiednich szkodliwych wpływów. Drgania obrabiarki, narzędzia i obrabianej części zmniejszają wydajność obróbki, a ponadto oprócz powodowania falistości obrabianej powierzchni stają się przyczyną zwiększania zgniotu na tej powierzchni. Drgania są również przyczyną zmniejszenia się trwałości narzędzia i rozluźnienia połączeń części obrabiarki.
Przyczyny drgań są różne. Najważniejsze z nich są następujące:
niewyważenie wirujących części obrabiarki, jej napędu i wirujących części obrabianych,
drgania obrabiarki wywołane przez siły zewnętrzne (przez pracę innych maszyn, wady napędu obrabiarki, wstrząsy przekazywane obrabiarce przez podłoże i posadzkę itp.),
okresowe wahania sił skrawania (z powodu np. przerywanego stykania się narzędzia z powierzchnią obrabianej części, wskutek nierównomiernej wielkości naddatku na obróbkę, nieprawidłowego kształtu półfabrykatu lub z powodu wadliwego kształtu narzędzia wieloostrzowego itp.),
4) drgania o impulsach własnych, tj. drgania powstające w układach bez udziału zewnętrznych sił wzbudzających1). W tym przypadku siła zmienna podtrzymująca drgania powstaje i jest regulowana w wyniku samego ruchu, a przy przerwaniu tego ruchu zanika.
Schemat układu mechanicznego, w którym powstają drgania o impulsach własnych, przedstawiono na rys. 12. Na poruszającej się obiegiem taśmie 1 umieszczony jest ciężar 2 przytrzymywany przez dwie sprężyny. Siła tarcia powoduje pociąganie ciężaru do tej pory, aż jedna z naciąganych sprężyn nie odrzuci go w tył, wywołując naciąg drugiej sprężyny. Sprężyna ta w pewnym momencie zatrzyma powrotny ruch ciężaru, który znów będzie pociągany przez poruszającą się taśmę i proces powtórzy się od nowa.
Analogiczne zjawisko zachodzi przy skrawaniu metali nożem (rys. 13): wiór spływający po powierzchni natarcia noża odgrywa rolę taśmy 1 (rys. 12), a nóż przypomina ciężar 2 dociśnięty do taśmy. W ten sposób koniec noża zaczyna drgać, co powoduje falistość obrabianej powierzchni.
Tworzenie się mikronierówności (chropowatości) na powierzchni części jest w zasadzie następstwem pozostawienia przez krawędź skrawającą śladu na obrabianej powierzchni. Jednakże ślad ten nie jest odtworzeniem kształtu krawędzi skrawającej narzędzia; różni się od niego z następujących powodów: 1) podchwytywania i odrywania przez nóż poszczególnych warstw metalu obrabianej powierzchni, 2) tarcia między powierzchnią przyłożenia noża i obrabianą powierzchnią, 3) drgań narzędzia i obrabianej części.