Важнейшие эксплуатационные свойства деталей машин – износостойкость, прочность, герметичность в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, формируемого в процессе механической обработки. Совершенствование техники и интенсификация рабочих процессов в машинах приводит к усложнению условий работы - возрастанию статических и динамических нагрузок, действию тепловых и гидравлических ударов, вибраций. В связи с этим возрастают и требования к герметичности соединений, используемых в конструкциях машин, что определяет актуальность задач по исследованию герметичности, как на стадии проектирования, так и изготовления маши, а также поиску путей ее повышения.
В настоящее время имеется достаточно большое количество информации по технологическому обеспечению параметров состояния поверхностного слоя и их взаимосвязи с эксплуатационными свойствами деталей машин [1, 2]. Однако, несмотря на это, рекомендации по количественным оценкам достигаемых при этом параметров герметичности практически отсутствуют. Имеющиеся по этим вопросам разработки [3, 4] требуют дальнейшего развития как с точки зрения совершенствования методики оценки, так и расширения анализируемых методов обработки.
Целью настоящей работы является исследование технологических возможностей методов лезвийной, алмазно-абразивной и отделочно-упрочняющей обработок в повышении герметичности соединений деталей.
Герметичность соединений определяет их способность удерживать утечку газа или жидкости [1]. Из закона Дарси для фильтрационного потока утечка, характеризующая герметичность, определяется следующим образом:
где m¢ - динамический коэффициент вязкости уплотняемой среды; l и D -размеры соединения; Dр - перепад давления; H - толщина пористого слоя под нагрузкой; k" - коэффициент проницаемости.
С учетом известных взаимосвязей толщины пористого слоя под нагрузкой и коэффициента проницаемости с шероховатостью, волнистостью и макроотклонениями сопрягаемых поверхностей утечка может быть определена по формуле [1]:
где Hmax - максимальное макроотклонение; yск - контактное сближение деталей при скольжении; Ra – параметр шероховатости; Wz- параметр волнистости; U - константа Кармана (0,20-0,22).
Представленная зависимость свидетельствует о том, что герметичность соединений деталей определяется геометрией уплотнения, факторами внешнего воздействия, а также состоянием контактирующих поверхностей. Следовательно, одним из резервов повышения герметичности является рациональный выбор методов их обработки.
Наибольший интерес для обеспечения герметичности неподвижных герметичных соединений вызывают С-образные металлические упругие уплотнения, представляющие внутреннюю часть разрезанного тонкостенного полого шара, помещенного в канавке открытого или полуоткрытого типа. Существующая методика расчетов утечек или усилий герметизации для таких соединений [1, 2], учитывающая геометрию сопрягаемых поверхностей во всех ее аспектах и их контактные перемещения, позволяет произвести сравнение различных технологических методов обработки деталей по обеспечению герметичности.
В соответствии с известной теорией [1] контактных перемещений их величину для одного из вариантов С-образных уплотнений, представленного на рис.1, можно рассчитать по формуле:
где D, a1, y1– геометрические параметры уплотнения; H- степень упрочнения; Sm – средний шаг неровностей; H- степень упрочнения; Е – коэффициент Пуассона материалов контактирующих поверхностей.
Из уравнения (3) получена формула для определения усилия герметизации, обеспечивающего заданную утечку Q [1], из которой следует, что усилия герметизации так же, как и утечка, наряду с геометрией уплотнения и физико-механическими свойствами его материала зависят от параметров состояния поверхностного слоя контактирующих поверхностей. Следовательно, рациональный выбор методов их окончательной обработки для одних и тех же конструктивных и геометрических параметров уплотнений обеспечивает возможность управления требуемыми усилиями герметизации и повышения герметичности.
Для количественной оценки повышения герметичности соединений при различных методах обработки поверхностей деталей машин в настоящей работе предлагаются следующие коэффициенты: коэффициент снижения утечки Кутечки и коэффициент снижения усилий герметизации Кусилий , необходимых для обеспечения заданной утечки Q:
где Q и Qбаз, Р и Рбаз - значения утечек и усилий герметизации для сравниваемого и базового вариантов обработки.
Возможности методов лезвийной, абразивной и отделочно-упрочняющей обработок внутренних поверхностей вращения в обеспечении параметров состояния поверхностного слоя, влияющих на герметичность соединений [2], представлены в табл. 1.
Анализ указанных методов обработки поверхностей вращения свидетельствует о том, что наилучшими возможностями в обеспечении наименьших значений параметров шероховатости, волнистости, макроотклонения и наибольших значений микротвердости имеет отделочно-упрочняющая обработка раскатыванием.
Графики зависимости коэффициентов снижения утечки Кутечки и снижения усилий герметизации Кусилий от параметра шероховатости Ra при различных методах обработки - шлифовании, тонком растачивании и раскатывании в сравнении с чистовым растачиванием, принятым за базу, представлены на рис. 2.
Графики свидетельствуют о возможности повышения герметичности, то есть снижения утечки и усилий герметизации при использовании после чистового растачивания, как шлифования, так и тонкого растачивания и раскатывания, так как во всех случаях коэффициенты снижения утечки Кутечки и усилий герметизации Кусилий меньше 1. Однако, наилучшая герметичность соединений (наименьшая утечка и наименьшее усилие герметизации) наблюдается после обработки внутренней поверхности вращения раскатыванием. При этом возможно снижение утечки и усилий герметизации, то есть повышение герметичности на 25-40% для одних и тех же конструктивных и геометрических параметров уплотнений и условий их эксплуатации за счет улучшения параметров состояния поверхностного слоя контактирующих деталей.
В результате анализа представленных графиков, установлено, что с увеличением шероховатости обработанных поверхностей для всех видов обработки герметичность соединений снижается, о чем свидетельствуют возрастающие утечка и усилие герметизации. Снижение шероховатости обработанных поверхностей может обеспечить снижение утечки и усилий герметизации, то есть повышение герметичности на 15-25% за счет выбора рациональных режимов лезвийной, алмазно-абразивной и отделочно-упрочняющей обработок.
Таким образом, предложена и апробирована методика количественной оценки повышения герметичности соединений с учетом всего комплекса параметров поверхностного слоя при различных методах лезвийной, алмазно-абразивной и отделочно-упрочняющей обработок цилиндрических поверхностей контактирующих деталей. На ее основании количественно обоснована возможность снижения утечки и усилий герметизации, то есть повышения герметичности соединений деталей машин за счет выбора наиболее рациональных методов их обработки. С использованием предложенной методики разработаны рекомендации по регламентации условий механообработки, обеспечивающих заданный уровень параметров состояния поверхностного слоя контактирующих деталей и соответствующий уровень герметичности соединений в узлах машин.
В результате проведенных исследований на основании разработанной методики количественно обоснован выбор методов отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием, гарантирующих повышение наряду с износостойкостью и прочностью еще одного из важнейших эксплуатационных свойств - герметичности соединений деталей машин.
1. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. - М.: Машиностроение, 2000. - 320с. 2. Качество машин: Справочник. В 2 т. Т.1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, Н.А. Виткевич и др. - М.: Машиностроение, 1995.-256с. 3. Дубоделова О. С., Нечепуренко А.В., Ивченко Т. Г. Влияние параметров состояния поверхностного слоя деталей машин на герметичность их соединений // Машинознавство / Матеріали 7-ої регіональної науково-методичної конференції. - Донецьк: ДонНТУ, 2005. – С.29-32. . 4. Голембиевская Т.М., Стуруа А.А., Ивченко Т.Г. Технологическое обеспечение герметичности соединений деталей машин // Машинознавство / Матеріали 8-ої регіональної науково-методичної конференції. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. – С.38-41.