Качество обработанной поверхности определяется шероховатостью и волнистостью, а также физико-механическими! характеристиками поверхностного слоя.

Под шероховатостью поверхности понимают совокупность микронеровностей (с относительно малыми шагами), находящихся на данной поверхности и рассматриваемых на определенной (базовой) длине.

Волнистость (волнообразное искривление поверхности) — совокупность периодических, более или менее регулярно повторяющихся и близких по размеру чередующихся возвышений и впадин (рис. 5.1). Волнистость занимает промежуточное положение между отклонениями геометрической формы (конусность, овальность и т. п.) и шероховатостью поверхности. Границу между различными порядками отклонений устанавливают по значению отношений шага L к высоте неровностей R. При  отклонения относят к шероховатости поверхности, при  - к волнистости и при  - к отклонению формы.

Физико-механические свойства поверхностного слоя определяются структурой, твердостью, остаточными напряжениями, характером изменения свойств по глубине.

Качество обработанной поверхности детали во многом завис от операций окончательной обработки.

ШЕРОХОВАТОСТЬ И ВОЛНИСТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ

Шероховатость и волнистость поверхности оказывают значительное влияние на такие важные эксплуатационные свойства де талей машин, как износостойкость, усталостная прочность, контактная жесткость, антикоррозионная стойкость, стабильно посадок и др.

 

Рис. 5.1. Волнистость поверхности

Вследствие шероховатости и волнистости сопрягаемых поверхностей фактическая площадь контакта значительно меньше номинальной, что ведет к увеличению удельных давлений, нарушению масляной пленки, разрушению и деформированию выступающих неровностей, поэтому грубые поверхности имеют низкую износостойкость. Наличие микронеровностей вызывает концентрацию напряжений во впадинах гребешков, что приводит к появлению трещин и снижает прочность деталей (особенно работающих при знакопеременных нагрузках).

Шероховатость сопрягаемых поверхностей определяет контактную жесткость сопряжения. При увеличении шероховатости поверхностей контактная жесткость снижается. Так, изменение высоты микронеровностей направляющих металлорежущих станков с 5.. 7 до 10... 12 мкм снижает контактную жесткость в 3 раза.

Шероховатости после обработки оказывают значительное влияние на коррозионную стойкость деталей в атмосферных условиях. Очаги коррозии образуются в первую очередь во впадинах. Чем чище обработана поверхность, тем выше ее коррозионная стойкость. Правда, при работе деталей в агрессивных средах шероховатость поверхности незначительно влияет на коррозионную стойкость.

Микронеровности (шероховатости) оказывают также большое влияние на стабильность подвижных и неподвижных посадок. В результате износа трущихся поверхностей возможно изменение посадок (увеличение зазора). Это может произойти не только в течение длительной эксплуатации, но и в период приработки, когда происходят особенно интенсивный износ и деформирование микронеровностей (до 65...70 % их высоты). Надежность неподвижных посадок выше при более низкой шероховатости сопрягаемых поверхностей.

Кроме того, шероховатость поверхности оказывает влияние на условия смазки, герметичность сальников и другие характеристики поверхностей и сопряжений.

Следует, однако, иметь в виду, что чрезмерные требования к шероховатости поверхностей приводят к усложнению и удорожанию технологии изготовления деталей и во многих случаях являются бесполезными с точки зрения улучшения эксплуатационных свойств детали. Так, для деталей подвижных соединений в зависимости от условий работы имеются свои оптимальные значения шероховатости поверхности. При более грубой поверхности деталей происходит их усиленный износ, а при более чистой поверхности шероховатость послеле короткого периода работы снижается до оптимальной.

Параметры и классы шероховатости поверхности. Шероховатость поверхности оценивается средним арифметическим отклонения профиля Ra, мкм, или высотой неровностей профиля по десяти точкам Rz, мкм. Применяют также параметр tp – относительная опорная длина профиля.

 

Рис. 5.2. Пример профилограммы поверхности

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra определяется как среднее арифметическое значений абсолютных отклонений (y1,y2,…,yn) профиля в пределах базовой длины до его средней линии. В пределах базовой длины l сумма квадратов расстояний y1,y2,…,yn точек профиля до этой линии минимальна. Допускают что в пределах базовой длины площади вверх и вниз от средне линии равны между собой (рис. 5.2):

Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz представляет собой сумму средних арифметических абсолютных отклонений точек пяти наибольших минимумов и пяти наибольших максимумов профиля в пределах базовой длины.

Между параметрами Ra и Rz существует примерно следующая зависимость:

Относительная опорная длина профиля представляет собой отношение длины профиля к базовой длине (см. рис. 5.2):

где р - расстояние между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль эквидистантно линии выступов профиля; числовые значения р выбирают из следующего ряда: 5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90% от величины наибольшей высоты неровностей профиля Rmах; n — число отсекаемых отрезков bi, в пределах базовой длины.

ГОСТ 2789—73 классифицирует все поверхности по шероховатости на 14 классов (табл. 5.1). Классы шероховатости поверхности 6 ..14-й дополнительно разделяют на 3 разряда (а, б, в).

Для обозначения шероховатости поверхности, вид обработки которой конструктор не устанавливает, применяют знак  обозначении шероховатости поверхности, которая должна быть получена после удаления слоя материала, например точением, строганием, фрезерованием, сверлением, шлифованием, травлением и т. п., применяют знак . Для обозначения шероховатости поверхности, которая должна быть получена без удаления слоя материала, например литьем, ковкой, объемной штамповкой, прокатом, волочением и т. д., применяют знак . Таким же знаком обозначают необрабатываемые поверхности. Значение параметра шероховатости указывают в обозначении шероховатости после соответствующего символа, например, Ra 0,4, Rz 20, t50 70 (в примере t50 70 указана относительная опорная длина профиля tp = 70% на уровне сечения профиля р = 50 %).

5.1. Классификация поверхностей по шероховатости

 

При указании диапазона значений параметра шероховатости поверхности в обозначении шероховатости приводят пределы значений параметра, размещая их в две строчки, причем в верхней строчке помещают максимальное значение параметра, например:

Ra 1,00 Rz 0,080

     0,63     0,032

В соответствии со стандартом значения параметров шероховатости следует приводить с определенными отклонениями, например:

1 ± 20 %; Rz 80 - 10 %; t50 70 ± 40.

При указании двух и более параметров шероховатости поверхности в обозначении шероховатости значения параметров записывают сверху вниз в следующем порядке: параметр высоты неровностей профиля, параметр шага неровностей профиля, относительная опорная длина профиля:

Ra 0,1

0,8/Sm  0,063

0,040

t50 80 + 10 %

Здесь Sm — средний шаг неровностей профиля, мкм; 0,8 — базовая длина профиля l, мм.

Важный параметр качества поверхности — направление штрихов (следов механической обработки), которые в необходимых случаях оговаривают в чертежах.

Влияние условий обработки на шероховатость поверхности. Шероховатость обработанной поверхности зависит от свойств обрабатываемого материала, метода обработки (точение, фрезерование, шлифование и др.), режима резания (подача, скорость резания), жесткости системы СПИД, наличия вибраций, геометрии и износа инструмента, наличия или отсутствия смазочно-охлаждающей жидкости и др.

При точении на обработанной поверхности всегда остаются небольшие остаточные гребешки, высота которых зависит от величины подачи и геометрии резца (радиуса резца при вершине главного и вспомогательного углов в плане  и  и др.).

Общая высота микронеровностей складывается из расчетной (теоретической) части шероховатостей и шероховатостей, возникающих от технологических факторов. На рис. 5.3, а показана схема образования расчетной (теоретической) части шероховатости. При обработке резцом, радиус при вершине которого r = 0, теоретическая высота гребешка определяется по формуле

где s — подача, мм/об;  и  - главный и вспомогательный углы в плане, град.

Формула получена следующим образом. Из теоремы синусов следует, что

 

Рис. 5.3. Схемы образования шероховатостей:

а, б - возможные варианты; D - диаметр детали; t - глубина резания

 

Рис. 5.4. Влияние скорости резания v на шероховатость обработанной поверхности Rz

Таким образом, высота гребешков при точении сильно зависит от величины подачи s. Приведенные зависимости Rрас являются приближенными, так как не учитывают влияния технологических факторов.

Скорость резания значительно влияет на шероховатость обработанной поверхности. В диапазоне скоростей, где нарост имеет максимальное значение, получается наибольшая шероховатость поверхности (рис. 5.4). Так, для стали наибольшая шероховатость поверхности получается в диапазоне скоростей 15...30м/мин (кривая Г). При обработке высоколегированных сталей, цветных металлов изменение шероховатости поверхности от скорости резания происходит по кривой 2. Глубина резания непосредственно не влияет на шероховатость обработанной поверхности. Чем выше вязкость обрабатываемого материала, тем больше высота шероховатостей. Применение смазочно-охлаждающей жидкости уменьшает размеры нароста и способствует снижению шероховатости поверхности.

Вибрации системы СПИД ведут к увеличению микронеровностей и образованию волнистости (при невысокой частоте и большой амплитуде колебаний). Вибрации зависят от жесткости системы СПИД и для разных участков поверхности детали могут быть различными, что может приводить к неодинаковым значениям микронеровностей или волнистости для различных участков детали.

Шероховатости на режущей кромке при обработке резанием копируются непосредственно на обработанной поверхности и увеличивают ее шероховатость. Для получения низкой шероховатости обработанной поверхности рабочие поверхности инструмента изготовляют на 3...4 класса выше заданного класса шероховатости поверхности детали.

При шлифовании класс шероховатости поверхности повышается с увеличением скорости резания (скорости круга), уменьшением величин подач и глубины шлифования, размеров зерен круга и при применении выхаживания.

В табл. 4.3 были приведены примерные значения шероховатости поверхности, получаемые при различных методах обработки. Технологам приходится также пользоваться дополнительными справочными материалами (в виде таблиц, графиков), по которым можно определить требуемый класс шероховатости поверхности для данного метода обработки и обрабатываемого материала в зависимости от элементов режима резания и геометрии инструмента.

Определение шероховатости и волнистости поверхности. Применяют следующие основные способы определения шероховатости поверхности: по эталонам; приборами, основанными на ощупывании поверхности алмазной иглой; оптическими приборами; при помощи слепков.

Основным методом цехового контроля шероховатости поверхности деталей машин -является способ сравнения с эталонными поверхностями соответствующих классов, полученными тем же методом обработки, что и данная деталь. При этом эталонные образцы должны быть изготовлены из того же материала, что и контролируемая деталь. Кроме эталонных образцов при этом способе можно в качестве эталона использовать готовые детали, шероховатость поверхности которых аттестована. Способ применим для поверхностей, имеющих классы шероховатости от 1 -го до 12-го. Причем сопоставление производят для классов с 1-го по 6-й визуально, для 7-го класса с использованием лупы с пятикратным увеличением, для классов 8... 12 при помощи микроскопа сравнения, в котором изображения контролируемой поверхности и эталона находятся в поле одного и того же окуляра при увеличении в 10...50 раз.

В лабораторных условиях для оценки шероховатости поверхности применяют специальные приборы (профилометры-профилографы, двойной микроскоп, интерферационный микроскоп и др.).

Принцип действия профилометра (рис. 5.5) основан на ощупывании профиля поверхности алмазной иглой, перемещаемой в направлении измерения. Прибор снабжен головкой с алмазной иглой, которую вручную перемещают по исследуемой поверхности со скоростью 10...20 мм/с. Головка состоит из постоянного магнита А, в поле которого расположены подвижный сердечник В и обмотка Е. Из-за неровностей поверхности стержень С с алмазной иглой и подвижным сердечником совершает небольшие вертикальные колебания, преодолевая некоторое сопротивление плоских пружин D. В результате в обмотке Е возникает микроток, который поступает в усилитель, а затем в гальванометр, который оттарирован на величину Ra, мкм. На профилографах можно записать на бумажной ленте или фотопленке кривую микропрофиля в виде профилограммы, из которой обработкой результатов получают величины Ra или Rz.

 

Рис. 5.5. Схема прибора, основанного на ощупывании исследуемой поверхности алмазной иглой

Двойной микроскоп конструкции акад. В. П. Линника (рис. 5.6) состоит из двух микроскопов, расположенных под углом 45° к поверхности образца. Луч источника света s ( рис. 5.6, а) проходит через узкую щель и производит световое сечение исследуемой поверхности под углом а = 45° к вертикали. Отражаясь от исследуемой поверхности, луч попадает в окуляр. Световое сечение неровностей показано на рис. 5.6, б. Вертикальные размеры неровностей оказываются увеличенными в 1/cos 45° — 1,42 раза. Это увеличение учитывают с помощью микроскопа. Общее увеличение микроскопа от 30 до 280. В визуальном тубусе видны увеличенные микронеровности (рис. 5.7). Пользуясь микрометрическими винтами на столе микроскопа и визирной линией а, можно измерить высоту неровностей Rz, размещая образец так, чтобы визирная линия находилась на вершине и впадине неровностей (положения а и а'). Микроскоп применяют для оценки шероховатости поверхности 3...9-го классов.

Принцип действия интерферометра для оценки шероховатой поверхности основан на использовании явления интерференции света. Оценку шероховатости поверхности производят по искривлению интерферационных полос в зависимости от профиля микронеровностей. Способ применяют для оценки шероховатости поверхности 10... 14-го классов.

Способ слепков применяют для оценки шероховатости поверхности в труднодоступных местах (например, в отверстиях). Материалом для слепка может служить кусочек целлулоида (например, 20 х 20 мм), который для размягчения опускают на 2...3 мин в ацетон, затем его прикладывают с определенным усилием к исследуемой поверхности, после чего сушат 10...50 мин (в зависимости от шероховатости обработанной поверхности). По слепку определяют шероховатость поверхности одним из оптических методов. Правда, есть составы для слепков, которые можно применять и при их ощупывании алмазной иглой.

 

 

Рис. 5.6. Схема действия двойного микроскопа акад. А. Н. Линника

 

Рис. 5.7. Схема определения высоты неровностей в двойном микроскопе В. Н. Линника

Волнистость поверхности измеряют на профилографах (при этом увеличивают базовую длину замеров и применяют более тупую алмазную иглу), а также на специальных приборах. В некоторых случаях волнистость оценивают на оптиметрах и микронными индикаторами.

Взаимосвязь точности и шероховатости поверхности. Обычно определенной точности деталей примерно соответствует определенная шероховатость поверхности:

Класс шероховатости поверхности 1        2        3...4     6        7…8    10…12

Квалитет точности                          14   12...13     11      9        6…7     5…6

Однако возможны и отклонения от приведенных соотношений. Так, для некоторых деталей (рукоятки, детали облицовки автомобилей и др.) допустима невысокая точность (12... 14-й квалитет) и шероховатость поверхности должна быть низкой (классы 8...10-Й). Бывают случаи, когда достаточна точность 9-го квалитета, а поверхность должна иметь высокий класс шероховатости поверхности (цилиндры и штоки гидро- и пневмосистем — классы 9... 10-й). Точности деталей по 5...7-му квалитету можно достичь при шероховатости поверхности не ниже 7-го класса. При более грубой шероховатости поверхности возникают значительные погрешности деталей из-за неточности измерений. Часто точности 5…6-го квалитета соответствует класс шероховатости поверхности 10…12.