5. Качество обработанной поверхности

Детали машин, как правило, разрушаются с поверхности. Это происходит в результате того, что в большинстве случаев поверхностные слои оказываются наиболее напряженными и в первую очередь подвергаются активному воздействию внешней среды – коррозии, эрозии и т.п.

При резании обработанная поверхность образуется в процессе разрушения под действием касательных и нормальных напряжений. При обработке пластичных металлов и сплавов пластически деформируются обе поверхности среза, поэтому определенная величина пластической деформации является характерным признаком и обработанного поверхностно­го слоя. Степень деформации и глубина, на которую она распространяется в обработанный, поверхностный слой, могут существенно изменяться в зависимости от свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента и режимов резания с учетом применения смазочно-охлаждающей жидкости.

Деформированный поверхностный слой обработанной детали можно рассматривать как часть зоны пластического течения вокруг режущей кромки, образующейся при резании, поэтому знание особенностей процессов в этой зоне и влияющих на них факторов очень важно для оценки качества обработанной поверхности. Наличие или отсутствие схватывания на передней или задней поверхности инструмента может оказаться более важным, чем наличие или отсутствие нароста и применение острого или затупленного инструмента. Эти факторы оказывают влияние не только на пластическую деформацию, твердость и состояние обработанной поверхности, но также и на ее шероховатость, форму и точность.

Основными параметрами качества обработанной поверхности, зависимой от мехобработки, являются:

• шероховатость обработанной поверхности;

• упрочнение (наклеп) и микроструктура поверхностного слоя;

• остаточные напряжения в поверхностном слое.

Шероховатость обработанной поверхности

Шероховатостью поверхности называют совокупность ее неровностей с относительно малыми шагами. Этот дефект — следствие пластических деформаций поверхностного слоя детали в процессе стружкообразования, трения задней поверхности режущего инструмента о деталь, копирования неровностей режущих кромок инструмента и многих других факторов. Шероховатость поверхности сильно и весьма отрицательно сказывается на эксплуатационной пригодности деталей и узлов. При посадках с зазором действительный контакт сопряженных трущихся поверхностей происходит в отдельных выступающих точках при давлении, во много раз превышающем среднюю расчетную величину. В результате смазка выдавливается, и жидкостное трение заменяется полусухим и даже сухим. Происходит интенсивный износ поверхностей, увеличивающий зазор в соединениях и часто искажающий форму контактирующих поверхностей (процесс приработки). Из-за шероховатости искажается и характер посадки с натягом, так как смятие вершин неровностей при запрессовке уменьшает величину натяга, снижая прочность соединения. При знакопеременных нагрузках шероховатость поверхности приводит к снижению усталостной прочности, так как впадины неровностей являются концентраторами напряжений, именно там образуются микротрещины, приводящие к разрушению детали. Шероховатость отрицательно сказывается на коррозионной стойкости детали, уменьшает контактную жесткость ее стыковых поверхностей, герметичность соединений. Все это вызывает необходимость нормировать и измерять шероховатость отдельно от точности размеров и погрешности формы.

Определение шероховатости конкретной поверхности начинают с того, что выбирают направление измерения неровностей. Оно может быть задано чертежом. При отсутствии такого указания измерение осуществляют в направлении наибольших неровностей, чаще всего перпендикулярно рискам обработки. Поверхность как бы рассекают перпендикулярной плоскостью, получая реальный профиль. Относительно этого профиля проводят так называемую базовую линию заданной геометрической формы. При оценке шероховатости плоских поверхностей (или цилиндрических в осевом сечении) базовая линия будет прямая. На определенном участке этой линии, называемом базовой длиной l (рис. 5.1), выделяют неровности, характеризующие шероховатость поверхности. Оценка шероховатости на строго определенной длине вызвана необходимостью уменьшить влияние на результаты измерений отклонений формы поверхности и, главное, волнистости. В зависимости от вида и высоты неровностей базовая длина выбирается из перечня, установленного стандартом.

Рис. 5.1. Профилограмма и основные параметры шероховатости поверхности.

В большинстве промышленно развитых стран параметры шероховатости оценивают в так называемой системе средней линии (системе m-m). Средней линией профиля т называют базовую линию, имеющую форму номинального профиля и проведенную так, что в пределах базовой длины среднее квадратичное отклонение профиля до этой линии минимально. Допускается, чтобы в пределах базовой длины суммы площадей, расположенных по обеим сторонам от этой линии до контура профиля, были равны между собой.

Стандарт устанавливает шесть параметров шероховатости, из них три характеризуют вы­соту неровностей (так называемые вертикальные параметры), а три остальных — их шаг и форму (горизонтальные параметры).

Высотные параметры, мкм:

Ra— среднее арифметическое отклонение профиля;

Rz— высота неровностей профиля по 10 точкам;

Rmax — наибольшая высота профиля.

Шаговые параметры:

Sm— средний шаг неровностей профиля, мм;

S — средний шаг местных выступов профиля, мм;

tp — относительная опорная длина профиля.

Рассмотрим подробнее каждый параметр.

1 Среднее арифметическое отклонение профиля Ra — это среднее арифметическое абсолютных значений отклонения профиля в пределах базовой длины:

, или приближенно ,

где l — базовая длина; n — число выбранных на ней точек профиля; — расстояние между любой точкой профиля и средней линией.

1. Высота неровностей профиля по 10-ти точкам Rz — сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших его впадин в пределах базовой длины:

, (5.1)

где y_pi — высота i-того наибольшего выступа профиля; y_Vi— глубина i-той наибольшей впадины профиля.

Линии, эквидистантные средней линии и проходящие через высшую и низшую точки профиля в пределах базовой длины, называют соответственно линией выступов и линией впадин профиля (рис. 5.1).

3. Наибольшая высота профиля - Rmax это расстояние между линиями выступов и впадин.

4. Средний шаг неровностей профиля Sm — среднее значение отрезков его средней линии, ограничивающих неровность профиля, в пределах базовой длины:

, (5.2)

где n - число шагов в пределах базовой длины; Smi — шаг неровностей профиля, равный длине отрезка средней линии, пересекающей профиль в трех соседних точках и ограниченной двумя крайними точками.

5. Средний шаг выступов профиля S — среднее значение шага местных выступов профиля в пределах базовой длины:

, (5.3)

где n — число шагов неровностей по вершинам в пределах базовой длины; Si — шаг неровностей профиля по вершинам, равный длине отрезка средней линии между проекциями на нее двух наивысших точек соседних выступов профиля.

6. Относительная опорная длина профиля — отношение опорной длины профиля к базовой.

, (5.4)

Опорная длина профиля — сумма длин отрезков bi, отсекаемых на заданном уровне р в материале профиля линией, эквидистантной средней линии m в пределах базовой длины (см. рис. 5.1):

. (5.5)

Опорную длину профиля определяют на уровне сечения профиля линией, параллельной средней линии и отстоящей от линии выступов на р, где р назначается в процентах от Rmax и выбирается из ряда 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90%.

Из перечисленных параметров Rа характеризует среднюю высоту всех неровностей профиля, Rz — среднюю высоту наибольших неровностей, а Rmax — наибольшую высоту профиля. Однако одни высотные параметры не могут оценить такие важнейшие характеристики поверхностей, как износостойкость. Обработанные различными методами и инструментами поверхности могут иметь одинаковые высотные параметры, но весьма разную износостойкость. Поэтому часто целесообразно нормировать не только высоту, но и форму неровностей, используя горизонтальные параметры Sm, S или tp,

В табл. 5.1 приведены параметры шероховатости, определяющие важнейшие эксплуатационные свойства поверхности.

Параметры шероховатости, определяющие эксплуатацион-ные свойства поверхности

Таблица 5.1

Эксплуатационные свойства поверхности	Параметры шероховатости
1	2
Износоустойчивость при всех видах трения	Ra, (Rz), tp, направление неровностей
Виброустойчивость	Ra, (Rz), Sm, S, направление неровностей

Таблица 5.1 (продолжение)

1	2
Контактная жесткость	Ra, (Rz), tp
Прочность соединений	Ra, (Rz)
Прочность конструкций при циклических нагрузках	Rmax, Sm, S, направление неровностей
Герметичность соединений	Ra, (Rz), Rmax, tp

При назначении высотных параметров Rа и Rz сле­дует учитывать, что Rа дает более полную оценку шероховатости, так как для его определения измеряют расстояние до средней линии большего числа точек профиля, в то время как для Rz измеряют расстояние только между пятью вершинами и пятью впадинами неровностей.