Шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности — совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами.

Для отделения шероховатости поверхности от других неровностей с относительно большими шагами (отклонения формы и волнистости) её рассматривают в пределах ограниченного участка, длина которого называется базовой длиной.

Шероховатость поверхности оценивается по неровностям профиля, получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью.

Числовые значения параметров шероховатости поверхности определяют от единой базы, за которую принята средняя линия профиля, т.е. базовая линия.

Для количественной оценки шероховатости наиболее часто используют три основных параметра:

Ra — среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины.

Rz — высота неровностей по десяти точкам (сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины).

Rmax — наибольшая высота неровностей профиля в пределах базовой длины.

Предпочтительным является параметр Ra, поскольку определяется по большему количеству точек профиля. В связи с этим параметром Ra нормируется шероховатость образцов сравнения, используемых для оценки шероховатости в промышленности.

Параметры Rmax и Rz используют в тех случаях, когда по функциональным требованиям необходимо ограничить полную высоту неровности профиля, а также когда прямой контроль Ra с помощью профилометров или образцов сравнения не представляется возможным (поверхности, имеющие малые размеры или сложную конфигурацию, например режущий инструмент).

Требования к шероховатости поверхности устанавливают исходя из функционального назначения поверхности для обеспечения заданного качества изделий. Если в этом нет необходимости, то требования к шероховатости не устанавливают и шероховатость поверхности не контролируют.

Примеры обозначения шероховатости

Обозначение шероховатости симметрично расположенных элементов симметричных изделий наносят один раз
Если шероховатость одной и той же поверхности различна на отдельных участках, то эти участки разграничивают сплошной тонкой линией с нанесением соответствующих размеров и обозначения шероховатости. Через заштрихованную зону линию границы между участками не проводят.

Обозначения шероховатости поверхности зубьев

Обозначение шероховатости поверхности профиля резьбы

Пример обозначения шероховатости наружной резьбы

Пример обозначения шероховатости внутренней резьбы

Пример обозначения шероховатости внутренней конической резьбы

Пример обозначения шероховатости внутренней резьбы

Средства измерения шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности можно измерить двумя способами:

  • Визуальный метод сравнения поверхности с эталоном (сравнение на ощупь)
  • Прибором для измерения шероховатости

Для экспресс оценки в машиностроительной, ремонтной и приборостроительной отраслях промышленности, где допускаются отклонения от проектной величины, как правило, используют визуальный метод сравнения. В качестве эталонов используют образцы шероховатости, полученные различными способами обработки и имеющие заранее известное значение шероховатости.

Для более точного измерения шероховатости поверхности, в местах где требуется строгое соответствие проектным величинам, применяют специальные приборы: профилометры или профилографы. С помощью профилографа получают так называемую профилограмму, которая требует дополнительной расшифровки, в то время как профилометр сразу показывает точное значение неровности по заданным параметрам. Существуют как портативные профилометры применяемые в «полевых» условиях, так и стационарные приборы, которые используются в метрологических лабораториях для непосредственной калибровки эталонов шероховатости, а так же в учебных целях.

Исходя из выше сказанного можно сделать вывод, что контроль поверхности важно проводить в тех случаях, когда необходимо износостойкость, антикоррозийную стойкость и исключить возможность появления поверхностных трещин от усталости металла. Иногда низкий уровень шероховатости нужно получить не только для технических характеристик детали, но и для ее эстетического вида.

Обозначения отклонения неровности поверхностей

На чертеже шероховатость указывается согласно приведённой ниже схеме.

Как видно, внешнее обозначение напоминает математический квадратный корень с соответствующими надписями в определенных местах. Каждая такая надпись характеризует определенный параметр шероховатости. Разберем их более подробно.

В левом верхнем углу указывается значение шероховатости по Ra и Rz. При чем стоит отметить, что если показано просто число, то автоматически это имеется ввиду Ra. Для обозначения Rz, необходимо дополнительно дописать буквенное примечание.

Существует три разновидности формы этого математического корня:

  • Треугольник без верхнего основания указывает, что способ получения шероховатости не задан конструктором. Есть требования к качеству поверхности, а каким способом оно будет достигнуто (шабрение, полировка и прочее) неважно.
  • С кругом в вершине. Поверхность не нуждается в дополнительном улучшении.
  • С верхним подчеркиванием. Этот знак говорит, что шероховатость должна достигаться обязательным снятием слоя металла.

В зоне над полкой прописывается тип механической обработки с помощью которой нужно довести поверхность до заданного значения Ra и Rz. Обычно сюда прописываются такие термины как «полировать», «шабрить» и прочее виды механической обработки.

В левом нижнем углу под полкой прописывается направление линий неровностей шероховатости. Разберем этот параметр на примере. Допусти Вам нужно прошлифовать поверхность стола абразивным кругом. В зависимости от того как Вы будете направлять инструмент пойдут линии шероховатости. Если будете его водить кругами, то Вы увидите волны от следов круга. Если движения будут пересекать друг друга, то плоскость стола будет в крестах. Это и регулирует данный параметр. В некоторых случаях это не важно, а некоторых имеет решающее значение.

Справа от направлений линий неровностей становиться значение базовой длины, на которой измеряется шероховатость. Ее значение стандартизировано и необходимы для того, чтобы минимизировать воздействие на точность измерения плоскостью прогиба самой поверхности.

Основные параметры шероховатости

Под шероховатостью поверхности детали понимают числовое отображение величины микронеровностей поверхности в микронах, показывающее отклонение от идеальной поверхности.

В основном используются 2 параметра шероховатости поверхности:

  • Ra. Среднеарифметическое отклонение профиля.
  • Rz. Высота неровностей профиля по 10 экстремальным точкам.

Приблизительное соотношение этих параметров Вы можете увидеть в этой таблице:

В этой же таблице Вы можете увидеть приблизительное соотношение используемых сейчас параметров шероховатости с использовавшимися ранее показателями класса шероховатости и группы чистоты («треугольники»).

На практике, как правило, грубую обработку обозначают параметром Rz320-20, более тонкую – Ra2,5-0,025 (еще более тонкую тоже принято обозначать параметром Rz0,1-0,025).

Значения шероховатостей для обозначения на чертежах выбирают из стандартизованного ряда:

Выбор значения шероховатости довольно тесно связан с точностью изготавливаемого изделия — его квалитетом, а так же с особенностями посадки с сопряженной деталью.

В большинстве случаев шероховатость поверхности определяется одним из параметров Ra или Rz.

Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz — является суммой средних абсолютных значений высот точек пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин в пределах базовой длины, измеренных от произвольной линии АВ

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra – это среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля yi от средней линии m в пределах базовой длины

Рисунок 1.

Механизм возникновения шероховатости

Все причины возникновения шероховатости можно разбить на 3 группы:

  1. Расположение режущих кромок инструмента, относительно обрабатываемой поверхности;
  2. Упругая и пластическая деформация обрабатываемого металла;
  3. Вибрации в технологической станочной системе.

Образование неровностей на обработанной поверхности можно представить как след от движения режущих кромок инструмента. Назовём такой профиль регулярным (рис.2).

На образование регулярного профиля влияет геометрия резца, в частности – углы в плане, а так же величина подачи S. Их влияние описывается формулой

Читайте также  Колун своими руками

В реальном процессе резания впереди резца и под обработанной поверхностью образуется зона пластической деформации, которая вносит некоторую погрешность в регулярный профиль. Пластически деформированный металл в отдельных местах как бы наволакивается на микронеровности, а в где-то вырываются отдельные куски металла. Потому реальное значение Rz может быть записано как:

где — приращение высоты микронеровностей, вызванное пластической деформацией металла. Следовательно, чем меньше пластическая деформация, тем меньше высота микронеровностей. Величина пластической деформации зависит, в большей степени, от твёрдости обрабатываемого материала и, в меньшей — от глубины резания — t.

Методы и средства оценки шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности оценивают двумя основными методами:

качественным и количественным.

Качественный метод оценки основан на визуальном сопоставлении обработанной поверхности с эталоном невооруженным глазом или под микроскопом, а также по ощущениям при ощупывании рукой (пальцем, ладонью, ногтем). Визуальным способом можно достаточно точно определять шероховатость поверхности, за исключением весьма тонко обработанных поверхностей. Эталоны, применяемые для оценки шероховатости поверхности визуальным способом, должны быть изготовлены из тех же материалов, с такой же формой поверхности и тем же методом, что и деталь. Качественную оценку весьма тонко обработанных поверхностей следует производить с помощью микроскопа или лупы с пятикратным и большим увеличением.

Количественный метод оценки заключается в измерении микронеровностей поверхности с помощью приборов: профилографов и профилометров.

Профилографы

Профилографы — это приборы, позволяющие получатть изображение микронеровностей профиля в увеличенном масшттабе на каком-либо носителе (фотоплёнке, фотобумаге).

Профилометры — минуя этап получения изображения, производят необходимые измерения профиля микронеровностей.

Рисунок 3.

Схема профилографа Б. М. Левина приведена на рис. 3. Луч света от лампы 1, проходя через линзу 2, щель 3 и оптическую систему 5, падает на зеркала 8 и 7. Зеркало 8 связано с ощупывающей иглой 9. Луч света, отраженный от зеркала 7 и затем от зеркала 8, проходит оптическую систему 6 и, попадая на зеркала 4 и далее на цилиндрическую линзу 14, проецирует изображение щели 3 на светочувствительную пленку 13,расположенную на барабане 12. Изображение щели проецируется в виде световой точки. Деталь 10, на поверхности которой измеряют шероховатость, располагается на верхнем диске предметного стола 11. При вращении синхронного двигателя стол вместе с деталью движется поступательно относительно иглы 9, а барабан 12 вращается. Таким образом, на светочувствительной фотоплёнке получается изображение пути светового луча, повторяющего профиль обработанной поверхности испытуемой детали.
Рисунок 4.

Принцип действия профилометра конструкции В. М. Киселева заключается в возбуждении колебаний напряжения в результате движений ощупывающей иглы. На рис. 4 приведена схема этого профилометра (модель КВ-7). Игла 1 с алмазным наконечником, радиус закругления которого 12 мкм, подвешена на пружинах 2. Нижний конец ее ощупывает неровности поверхности детали, а верхний связан с индукционной катушкой 3, которая перемещается в магнитном поле полюсов 4 и 6 магнита 5. Возбуждаемый этим перемещением ток подают на усилитель и затем на гальванометр. Перемещение иглы по поверхности осуществляют с помощью электропривода со скоростью 10. 20 мм/с. Давление иглы на поверхность проверяемой детали составляет 5. 25 кПа. При подключении к профилометру осциллографа можно получить профилограмму исследуемой поверхности.

Рисунок 5.

Для измерения шероховатости предназначен также двойной микроскоп В. П. Линника (рис. 5). Прибор состоит из двух частей: микроскопа А для освещения исследуемой поверхности, микроскопа Б для наблюдения и измерения профиля поверхности. Оси обеих частей микроскопа, наклоненные под углом 45° к исследуемой поверхности, пересекаются между собой в предметной точке объективов.

В плоскости изображения объектива 3 микроскопа А перпендикулярно плоскости оси микроскопа расположена щель 2, освещаемая источником света 1. Объектив 3 дает уменьшенное изображение а щели 2 на проверяемой плоскости Р в виде узкой светящейся линии. При отсутствии на участке поверхности Р микронеровностей объектив 4 микроскопа Б в плоскости сетки окуляра 5 даст изображение а 2 той же узкой светящейся линии, а также изображение близлежащего участка исследуемой поверхности.

При том же расположении микроскопов А и Б при наличии микронеровностей h часть пучка света, отраженная от участка поверхности P 1 при наблюдении будет казаться выходящей из точки a 1 или из точки а 1 поверхности Р 1, расположенной на расстоянии 2h ниже поверхности Р. Тогда изображение точки из на сетке окуляра 5 будет на расстоянии h от оси микроскопа Б, равном h = 2xh sin 45°, где х — увеличение объектива 4.

Для измерений высоты неровностей в микроскопе Б установлен окулярный микрометр. Двойной микроскоп В. П. Линника позволяет также фотографировать исследуемую поверхность с высотой неровностей 0,9. 60 мкм.

Метрология

Как упоминалось в предыдущей статье, изготовить любую деталь в соответствии с номинальными требованиями невозможно – всегда присутствуют погрешности размеров и форм, обусловленные несовершенством технологии, оборудования и средств измерения, а также человеческим фактором.
Отклонения геометрических параметров, таких, как прямолинейность, круглость и плоскостность, выражаются в макро- и микронеровностях, которые, в зависимости от характера погрешностей формы называют волнистостью или шероховатостью.

Шероховатость поверхности — совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами.
Для отделения шероховатости поверхности от других неровностей с относительно большими шагами (отклонения формы и волнистости) её рассматривают в пределах ограниченного участка, длина которого называется базовой длиной . Волнистость и другие виды отклонения формы и профиля на ограниченном базовой длиной участке имеют единичные отклонения от номинальной линии профиля (поверхности), а шероховатость на таком же участке характеризуется многочисленными выступами и впадинами (см. рис. 1).

Шероховатость поверхности оценивается по неровностям профиля (выступам и впадинам), получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью.
Числовые значения параметров шероховатости поверхности определяют от единой базы, за которую принята средняя линия профиля, т.е. базовая линия .
Для количественной оценки шероховатости и обозначения ее в технических документах (чертежах, конструкторской и технологической документации) наиболее часто используют три основных параметра:

Ra — среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины, т. е. учитываются размеры всех выступов и впадин на протяжении базовой длины, по которым определяется среднее арифметическое значение отклонения от базовой линии.

Rz — высота неровностей по десяти точкам (сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины).

Rmax — наибольшая высота неровностей профиля в пределах базовой длины, заключающаяся в разности между максимальными выступом и впадиной в пределах базовой длины.

Предпочтительным является параметр Ra , поскольку определяется по большему количеству точек профиля и наиболее точно оценивает шероховатость исследуемой поверхности по базовой длине. В связи с этим параметром Ra нормируется шероховатость образцов сравнения, используемых для оценки шероховатости в промышленности и машиностроении.

Параметры Rmax и Rz используют в тех случаях, когда по функциональным требованиям необходимо ограничить полную высоту неровности профиля, а также когда прямой контроль Ra с помощью профилометров или образцов сравнения не представляется возможным (поверхности, имеющие малые размеры или сложную конфигурацию, например режущий инструмент).

Читайте также  Краскопульт для акриловой краски

Требования к шероховатости поверхности устанавливают исходя из функционального назначения поверхности для обеспечения заданного качества изделий. Если в этом нет необходимости, то требования к шероховатости не устанавливают и шероховатость поверхности не контролируют.

Способы измерения шероховатости поверхностей

В машиностроении наиболее часто используют следующие способы измерения шероховатости поверхностей:

  • Визуальный , заключающийся в сравнении образца с измерительным эталоном (шаблоном);
  • Бесконтактный — при помощи микроскопа со специальной шкалой отклонений формы поверхности;
  • Контактный при помощи специального прибора — профилометра.

Обозначение шероховатости поверхностей на чертежах

Правила нанесения обозначения шероховатости поверхностей на чертежах установлены ГОСТ 2.309-73 (СТ СЭВ 1632-79).
Исходя из числовых значений параметров Ra и Rz ГОСТ 2789–73 устанавливает 14 классов шероховатости. Наиболее распространенными в машиностроении являются 1 – 8 классы (таблица 1).

Таблица 1 – Размеры шероховатости поверхности (ГОСТ2789–73)

Вообще, принято выделять три вида шероховатости объекта:

Исходная шероховатость — возникающая в результате технологической обработки изделия различными абразивами.

Эксплуатационная шероховатость — это приобретаемая в процессе эксплуатации шероховатость в результате износа и рабочего трения.

Равновесная шероховатость — это вид эксплуатационной шероховатости, который можно воспроизвести в стационарных условиях трения.

Параметры шероховатости определены в ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения». Согласно этому документу, выделяют такие показатели шероховатости, как:

  • Ra — это среднее арифметическое значение отклонения профиля.
  • Rz — это высота неровностей профиля, снятая в 10 точках.
  • S — это средний шаг местных выступов профиля;
  • Sm — это среднее арифметическое значение шага неровности;
  • Rmax — это максимальная высота профиля;
  • tp — это относительная длина профиля (опорная), р — это уровень сечения профиля.

При задании шероховатости, как правило, используется параметр ср. арифм-го. отклонения профиля (Ra).

Стоит отметить, что именно шероховатость, оказывает наиболее сильное влияние на эксплуатационные характеристики двигателей машин, а также деталей и узлов различного оборудования. Возможно, именно поэтому, точное определение значения шероховатости — одна из самых важных задач метрологии.

Механика

Структура поверхности играет ключевую роль в управлении механикой контакта, то есть механическое поведение, проявляющееся на границе раздела между двумя твердыми объектами, когда они приближаются друг к другу и переходят из условий бесконтактности в полный контакт. В частности, нормальная контактная жесткость определяется преимущественно структурами шероховатости (наклон поверхности и фрактальность) и свойствами материала.

С точки зрения инженерных поверхностей, шероховатость считается вредной для характеристик детали. Как следствие, большинство производственных отпечатков устанавливают верхний предел шероховатости, но не нижний. Исключение составляют отверстия цилиндра, в которых масло сохраняется в профиле поверхности и требуется минимальная шероховатость поверхности (Rz).