CC BY
89
УДК 621.7.015
Т.П.ГОРШКОВА, канд. техн. наук, доцент, mthi@spmi. ru
Е.Н.КОСТЫЛЕВА, старший преподаватель, [email protected]
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
T.P.GORSHKOVA, PhD in eng. sc., associate professor, [email protected] E.N.KOSTYILEVA, senior lecturer, mthi@spmi. ru
National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ И ТРЕБОВАНИЯ ДИЗАЙНА
В статье приводится анализ поверхности изделия (сугубо рабочая и определяющая форму), рассматривается качество поверхностного слоя с точки зрения инженерии поверхности и технической реальности, приводится топология поверхности как основа, которая дает возможность для соединения сугубо инженерной и творческой деятельности.
Ключевые слова: инженерия поверхности, отделочно-упрочняющие операции, техническая реальность, волнистость, субмикронеровность, микрорельеф, шероховатость.
TECHNOLOGY OF SURFACE PROCESSING AND DESIGN REQUIREMENTS
The article analyzes the surface of the product (especially the working surface and determining the form). The article deals with the quality of the surface layer from the point of view as surface engineering and technological reality. The article presents the topology of the surface foundation, which makes it possible to connect engineering and creativity.
Key words: Engineering surface, finishing and hardening operations, technical reality, waviness, submicroroughness, microrelief, roughness.
Человечество производит нужные ему изделия и при этом вынуждено заботиться о качестве поверхности. Есть разные стороны поверхности изделия: сугубо рабочая (контактная или сопрягаемая) и поверхность, с которой имеет дело человек (поверхность, определяющая форму изделия). Особо ярко эти тенденции проявились с возникновением серийного фабричного производства, когда особо значимой становится инженерно-техническая деятельность. Формирование и функционирование системы «наука - производство» происходит на основе развития технико-инженерной деятельности, благодаря которой на практике реализуются и внедряются новые виды техники и техноло-
гии. Научно-инженерная деятельность является двигателем научно-технического прогресса. Технические науки являются основой инженерии. В современных условиях, обладая достаточным научно-техническим знанием, можно управлять качеством выпускаемых изделий.
Качество поверхностного слоя, несущее не только заданные технологические параметры, но и выполняющее эстетическую роль, управляя впечатлением, как психологическим показателем потребительского уровня, во многом определяет спрос и те черты, которые формируют человеческое восприятие изделия. На впечатление существенное влияние оказывает внешний вид, на-
прямую связанный с хорошими техническими характеристиками. Современное представление о качестве изделий основано на принципе наиболее полного выполнения требований и пожеланий потребителя с учетом рентабельности. Этот принцип должен быть заложен в основу любой технологии или проекта любого изделия.
Техническая реальность является наиболее важным понятием, характеризующим объективно-реальный мир в свете интересов цивилизации к современному производству. Осознание эмпирического материала о техническом мире отражает техническая реальность, включающая все изделия (включая машинную продукцию, поделки быта и произведения искусств), действующую технику, включая орудия ручного труда, применяющуюся технологию, используемые материалы, возникающие отходы. Техническая реальность порождается культурой и постоянно получает от нее стимулы для развития. С другой стороны, являясь средством приложения достижений культуры, она воздействует на культурное пространство, образуя «вторую природу» [1].
Большая часть изделий «второй природы» в наше время производится из металлических или металлосодержащих материалов. Металлы - один из самых распространенных материалов, используемых цивилизацией на протяжении практически всей ее истории.
Поверхности твердых тел не бывают идеально гладкими. Они всегда имеют отклонения от идеальной макро-, микро- и субмикро- геометрического порядка. Очень важным является представление о топографии поверхности детали, ее геометрических характеристиках - параметрах отклонения обработанной поверхности от заданной. Они определяются наличием:
• макронеровностей (погрешностей формы);
• волнистости (совокупности неровностей на поверхности, которые образуются в связи с вибрациями в системе «станок -приспособление - инструмент - деталь»);
• шероховатости (совокупности микронеровностей на поверхности, которые образуются как результат того или иного приня-
того метода обработки этой поверхности и создающей рельеф поверхности);
• субмикронеровностей (неровностей на впадинах и выступах микронеровностей).
Волнистость занимает промежуточное положение между отклонениями формы и шероховатостью поверхности. Возникновение волнистости связано с динамическими процессами, вызываемыми потерей устойчивости системы «станок - приспособление -инструмент - деталь» и выражающимися в возникновении вибраций.
Довольно часто для поверхностей изделий различного назначения требуется определенная шероховатость, а также различное направление микронеровностей (параллельное, перпендикулярное, перекрещивающееся, кругообразное, радиальное и т.п.) т.е. определенный рельеф.
Геометрические отклонения, совокупность выступов и впадин - микронеровности, высота (глубина) которых попадает в интервал размеров от 10-2 до 102 мкм (1м*10-6), называется шероховатостью поверхности.
Сечение реальной детали представлено на рисунке. Здесь волнистость представлена штриховой линией, а сплошная линия -профиль шероховатой поверхности реальной детали.
Контур сечения реальной поверхности делится плоскостью, перпендикулярной соответствующей идеальной поверхности, создает профиль, который характеризует микрогеометрию поверхности детали.
Шероховатость образуется при изготовлении и эксплуатации деталей и вызвана наличием неровностей на поверхности, сопрягаемых с этой деталью инструмента или контртела, изменением усадки стружки и
Сечение реальной детали 1 - профиль реальной детали; 2 - линия волнистости; 3 - линия макрогеометрического отклонения
свойств материала детали [4]. Различают продольную (вдоль направления обработки) и поперечную шероховатость.
Понятие «субмикрошероховатость поверхностей» представляет собой отклонения нанометрического масштаба. Оно обусловлено природой материала (структурным строением). Размеры субмикрошероховато-стей соответствуют 1-103 нм (1м* 10-9).
Изучение топологии поверхностей относятся к исследованиям в области «инженерии поверхности», которая имеет свою историю. Исследование микрогеометрии в инженерии поверхностей методологически разделено на три этапа развития: классический, неклассический и постнеклассический.
Субъективное восприятие изделия зависит от суммы элементарных составляющих, которые несут информацию о нем на психофизическом уровне восприятия [2]. Первыми из них являются форма и материал, причем форма - это не только размер и геометрический вид, но и расположение в пространстве, а материал - это не только масса и фактура, но и цвет, текстура, светоотражение или блеск. Все выше перечисленное является средствами композиции, которые подчиняются определенным законам, выражаемым в отношениях, пропорциях и ритме, что позволяет оценивать любую технически грамотно построенную вещь по законам композиции, т.е. на эстетическом уровне.
Самое большое значение в восприятии формы имеет фактура. Любое изделие воспринимается субъектом при контакте (зрительном или тактильном) с его поверхностью за счет взаимодействия зрения, мышечных, осязательных и тактильно-кинестических ощущений [5].
Фактура, являясь свойством, формирующим поверхность, характеризует внешнее строение поверхности (шероховатая, гладкая и др.). Она выполняет не только эстетическую роль, но и осуществляет важные технологические функции. Долговечность, надежность и износ в большой степени зависят от шероховатости (качества поверхностного слоя). Шероховатость поверхности -совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой
длине. Шероховатость относится к микрогеометрии твердого тела и определяет его важнейшие эксплуатационные качества. Прежде всего, износостойкость от истирания: в углублениях поверхности как в карманах накапливается масло или любой другой смазочный материал. Поэтому на гладких поверхностях смазка удерживается хуже, что увеличивает износ. Шероховатые поверхности имеют малую поверхность соприкосновения, поэтому особенно в период приработки происходит усиленный износ. Микрорельеф (микрогеометрия) поверхности влияет на прочность, плотность (герметичность) соединений, химическую стойкость, внешний вид. В зависимости от условий работы поверхности назначается параметр шероховатости при проектировании деталей машин. Вследствие этого поверхности обрабатывают до оптимальной шероховатости. При этом важно, чтобы шероховатости были определенной формы и размерности, т.е. микрорельеф, задающий нужную конфигурацию поверхности, играет важную роль [3].
Кроме того, изделие приобретает другую эстетическую ценность. Фактура не только создает зрительный образ изделия, но и выступает одним из основных источников осязательной информации. Когда элементы фактуры становятся, ясно различимы, они создают рельеф. Различная степень фактурности материала, т.е. наблюдаемые на поверхности внешние признаки структуры материала, дают возможность не только изменить механические свойства, но и привнести долю творчества в сугубо механический процесс.
Одной из характерных особенностей современного этапа научно-технического прогресса является применение высокоэффективных методов обработки материалов. В современной технологии для изготовления деталей широко используют заготовки, приближенные по форме к готовым деталям и имеющие высокий коэффициент использования металла. Одним из серьезных вопросов машиностроения и приборостроения является финишная обработка деталей: шлифование, хонингование, полирование и т.д.
Сокращается объем механической обработки и большее внимание уделяется методам обработки, которые позволяют улучшить качество поверхностей, изменить микроструктуру поверхностного слоя и в конечном итоге улучшить прирабатывае-мость деталей в механизмах, повысить их износостойкость, увеличить долговечность изделий, улучшить их эстетику. Если глубина проникновения деформации небольшая, то получается такая поверхность, как у деталей после приработки. Это позволяет вообще отказаться от приработки или существенно ее сократить.
Одной из основных задач промышленности является развитие техники и технологий, обеспечивающих высокую производительность и качество изделий. Создание новых образцов техники в различных отраслях промышленности (авиационной, машиностроительной, нефтегазодобывающей) предъявляет жесткие и повышенные требования к работоспособности деталей и конструкций, к их внешнему виду. Это относится к изготовлению деталей и изделий различного назначения. В их число входят характеризуемые высокой трудоемкостью и себестоимостью основные операции механической обработки (точение, фрезерование и другие), и отделочно-зачистные (финишные) операции (удаление заусенцев, полирование и другие). Поэтому в различных отраслях промышленности ведутся широкие исследования в области совершенствования существующих методов обработки, разрабатываются новые высокопроизводительные технологические процессы формообразования и финишной обработки деталей.
Улучшение эксплуатационных параметров деталей в машиностроении, приборостроении, авиастроении, производстве медицинских инструментов и т.д., во многом зависят от применяемого материала, шероховатости поверхности, качества поверхностных слоев материала деталей, формируемых на финишных операциях механической обработки, так как ее высокопроизводительные методы имеют большое значение в обеспечении качества изготовляемых деталей. К методам финишной об-
работки относятся суперфиниширование, хонингование, шабрение, полирование, оксидирование и т.д., а также упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. Поверхности деталей, полученные всеми известными методами обработки из-за неоднородной пластической деформации, не могут иметь регулярные, управляемые и рассчитываемые аналитические микрорельефы. Это весьма затрудняет реализацию стандарта на шероховатость поверхности и решение важных задач, связанных с обеспечением качества изделий, таких как:
• оптимизация микрорельефа рабочих поверхностей деталей при изменяющихся условиях эксплуатации;
• использование аналитических методов нормирования и технологического обеспечения геометрических параметров качества поверхности;
• безаппаратный контроль шероховатости поверхности;
• определение зависимости между качеством поверхности и эксплуатационными свойствами.
В настоящее время особый интерес вызывают отделочно-упрочняющие методы, позволяющие решить эти задачи. Среди всего многообразия методов упрочнения высокой эффективностью и простотой реализации отличаются деформационные методы -обработка поверхностным пластическим деформирование. Они позволяют исключить из технологического процесса трудоемкие и дорогостоящие операции (доводка, шабрение, полирование, хонингование, покрытия). Следовательно, упрощается конструкция заготовки, сокращается цикл обработки, снижается себестоимость, упрощается контроль и стандартизация. Эти методы дают возможность за одну технологическую операцию упрочнить поверхностный слой или снять остаточные напряжения, т.е. выполнить технологические требования к детали и создать поверхность с заданным рельефом, что дает возможность влияния на ее эстетическое восприятие. Повышается надежность нормирования, технологического обеспечения и контроля качества поверхности, что в
конечном результате позволяет повысить качество и эстетику продукции. При одновременном независимом варьировании значений большого количества режимов обработки возможно образование регулярных микрорельефов различных видов. Этот вопрос мало изучен, что дает возможность для соединения сугубо инженерной и творческой деятельности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Котенко В.П. История и философия технической реальности. М., 2009. С.42-43.
2. Кудрин Б.И. Античность. Символизм. Технети-ка. М., 1995. 57 с.
3. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом: Монография / СПб, 2001. С.62-74.
4. Шестопал Ю.Т. Конкурентоспособность и качество / Ю.Т.Шестопал, Н.Ю.Щетинина // Стандарты и качество. М., 2010. Вып.2(12). С.18-19.
5. Останина П.А. Эстетическое восприятие блеска / П.А.Останина, М.М.Черных // Дизайн. Материалы. Технология. 2009. Вып.3(10). С.62-65.
REFERENCES
1. Kotenko V.P. History and philosophy of a technical reality. Moscow, 2009. P.42-43.
2. Kudrin B.I. Antiquity. Symbolism. Tehnetik. Moscow, 1995. 57 p.
3. Shnejder Y.G. Operational properties of details with a regular microrelief: the monography / Saint Petersburg, 2001. P.62-74.
4. Shestopal Y.T, Shchetinina N.Y. Competitiveness and quality // Standards and quality. Moscow, 2010. N 2(12). P.18-19.
5. Ostanina P.A., ChernykhM.M. Aesthetic perception of shine // Design. Materials. Technology. 2009. N 3(10). P.62-65.
