2.6. Волнистость и шероховатость поверхности

Поверхности деталей, обработанные различными методами (будь то токарная обработка, или шлифовальная, или обработка методами пластического деформирования), имеют микронеровности в про­дольном и поперечном направлениях. Продольные не­ровности определяются в направлении главного рабо­чего движения при резании, а поперечные – в на­правлении, перпендикулярном к нему. Эти микронеровности, их форма, размеры, частота повторяемости зависят от режущего инструмента, метода и режимов обра­ботки, материала детали, жесткости оборудования и, как следствие, от колебательных движений в системе “станок — приспособление — инструмент — заготовка”.

При оценке неровностей различают волнистость и шероховатость поверхности.

Волнистость – это совокупность периодически че­редующихся возвышенностей и впадин, у которых расстояния между смежными возвышенностями или впадинами превышают базовую длину.

Базовая длина – длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих поверхность.

Рекоменда­циями определены нормируемые параметры вол­нистости (рис. 2. 25):

Высота волнистости W – среднее ариф­метическое из пяти ее значений, определенных на длине участка измерения L , равного не менее пяти действительным наибольшим шагам волнистости:

W = (W + W + W + W + W )

Числовые предельные значения волнистости W необходимо выбирать из ряда (мкм): 0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25; 50; 100; 200.

Средний шаг волнистости S — сред­нее арифметическое значение расстояний S , между одноименными сторонами соседних волн, измеренных по средней линии профиля.

S =

Граница между волнистостью и шероховатостью условна, так как при изменении базовой длины, которую назначают из эксплуатационных соображе­ний, числовые значения параметров волнистости и ше­роховатости будут также изменяться.

Высота и шаг волны в основном зависят от способа механической обработки деталей и состояния оборудования (табл. 2.3).

Т а б л и ц а 2.3

Параметры продольной волнистости при некоторых видах

механической обработки

Вид механической обработки	Высота волны, мм	Шаг волны, мм
Плоское шлифование Строгание Точение Скоростное фрезерование Притирка	1,1…3,8 1…2,5 1…10,7 1,4…6,0 0,75…2,0	1,1…4,8 1,3…4,0 1,4…9,0 1,6…5,2 0,6…0,8

В качестве критерия отличия волнистости от шероховатости поверхности чаще всего исполь­зуют отношение шага неровности к ее высоте: < 40 — шероховатость; 40 ≤ ≤ 1000 — волнистость; > 1000 — отклонение формы.

Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей профиля поверхности с относительно малыми шагами в пределах базовой длины.

ГОСТ 25142—82 “Шероховатость поверхности. Термины и определения” предусмотрен ряд параметров для количественной оценки шероховатости, причем отсчет ведется от еди­ной базы, за которую принята средняя линия про­филя m (рис.2.26). Систему отсчета шероховатости от средней линии профиля называют системой средней линии.

Базовая длина l — длина участка поверхности, выбираемая для измерения шероховатости без учета других видов неровностей, имеющих шаг более l. Числовое значение базовой длины выбирается из ряда (мм): 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,80; 2,5; 8; 25. Чем боль­ше размеры неровностей, тем больше должна быть базовая длина.

Количественную оценку шероховатости проводят по следующим основным параметрам:

Ra – среднее арифметическое отклонение профиля;

Rz – высота неровностей профиля по десяти точкам;

Rmax – наибольшая высота неровностей профиля;

Sm – средний шаг неровностей;

S – средний шаг неровностей по вершинам;

t – относительная опорная длина профиля (p – значение уровня сечения профиля, рис. 2.26).

Параметр Ra характеризует среднюю высоту всех неровностей профиля, Rz – среднюю высоту наибольших неровностей, Rmax - наибольшую высоту профиля. Шаговые параметры Sm, S и t введены для учета различной формы и взаимного расположения характерных точек неровностей. Числовые значения параметров шероховатости Ra, Rz, Rmax, Sm и S нормализованы и приведены в ГОСТ 2789–73 “Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики”. Параметр Ra является предпочтительным.

Относительная опорная длина профиля t характе­ризует фактическую опорную площадь, от которой в значительной степени зависит износостойкость подвижных соединений, прочность посадок с натягом и размер пластической деформации поверхностей при их контак­те.

Шероховатость поверхности во многом зависит от способа, режимов и условий обработки. С ней находится во взаимосвязи точность обработки, оцениваемая квалитетом.

В табл. 2.4 приведены значения параметра Ra, экономическая и достижимая точность для некоторых видов обработки деталей резанием. Здесь под экономической точностью понимают точность, которая наиболее оптимальна с экономической точки зрения и может быть получена тем или иным видом обработки. Достижимая точность – это наиболее высокая точность, которая может быть получена данным видом обработки.

Т а б л и ц а 2.4

Шероховатость поверхности и квалитеты при разных методах обработки деталей резанием

Вид обработки	Значения параметра Ra, мкм	Экономическая точность (квалитеты)	Достижимая точность (квалитеты)
Отрезка: резцом фрезой абразивом	25…100	14…17	-
	25…50	14…17	-
	3,2…6,3	12…15	-
Строгание: черновое чистовое тонкое	12,5…25	12…14	-
	3,2…6,8	10…13	-
	0,8…1,6	8…10	7
Фрезерование цилиндрической фрезой: черновое чистовое тонкое	25…50	11…14	-
	3,2…6,3	10…11	-
	1,6	8…9	6…7
Обтачивание: обдирочное получистовое чистовое	25…100	15…17	-
	6,3…12,5	12…14	-
	0,8…3,2	7…9	6
Сверление: до 15 мм св.15 мм.	6,3…12,5	12…14	10…11
	12,5…25	12…14	10…11
Растачивание: черновое получистовое чистовое тонкое (алмазное)	50…100	15…17	-
	12,5…25	12…14	-
	0,8…3,2	8…9	7
	0,2…08	7	6
Шлифование круглое: получистовое чистовое тонкое	3,2…6,3	8…11	-
	0,8…1,6	6…8	6
	0,1…0,4	5	выше 5
Полирование: обычное тонкое	0,2…1,6	6	-
	0,05…0,1	5	-

При выборе параметров шероховатости поверхности для их нормирования необходимо исходить из функционального назначения и конструктивных особенностей каждой поверхности и детали в целом, условий эксплуатации рассматриваемой поверхности. Этот выбор должен быть обоснованным и оптимальным.

На чертежах шероховатость поверхно­сти обозначают по ГОСТ 2.309—73 ”ЕСКД. Обозначение шероховатости поверхностей” с соответствующими изменениями для всех выполняемых по данному чертежу поверхностей детали, независимо от метода их образования.

Структура условного обозначения шероховатости поверхности приведена на рис. 2.27, а. В обозначении шероховатости поверхности без указания параметра и способа обработки применяют знак, показанный на рис. 2.27, б, причем этот знак является предпочтительным. В обозначении шероховатости поверхности, образуемой путем удаления слоя материала (например, точением, шлифованием, хонингованием, фрезерованием, сверлением и т.п.), но без указания параметра, применяют знак, показанный на рис. 2.27, в. В обозначении шероховатости поверхности, образуемой без снятия слоя материала (например, литьем, ковкой, штамповкой) или когда шероховатость поверхности сохраняется в состоянии поставки, применяют знак, показанный на рис.2.27, г.

Значения параметров шероховатости указывают под знаком с буквенным обозна­чением и числовым значением (рис. 2.28, а). При указании нескольких параметров вверху ста­вят обозначение высоты неровностей профиля, ниже – параметр шага и еще ниже – относительной опорной длины профиля.

Вид обработки указывают над полкой знака шеро­ховатости (рис. 2.28,б).

В некоторых обоснованных случаях устанавливаются требования к направлению неровностей и виду обработки (если он является единственным или предпочтительным для обеспечения качества поверхности). Эти параметры обозначаются в соответствующем поле условного обозначения (рис. 2.27, а), вид обработки – надписью, направление неровностей – условным знаком.

Условные обозначения направления неровностей указывают на чертежах, используя один из следующих знаков, приведенных в табл.2.5.

Если необходимо ограничить не только максималь­ное, но и минимальное значение параметра, предель­ные значения располагают один над другим: выше — максимальное, ниже — минимальное, например,

Ra 1.00; Sm 0,063; Rmax 0,80;

0,63 0,040 0,32

Кроме номинального значения параметра, могут быть указаны предельные отклонения в процентах, например, Ra 1± 30 %; t 70±10% и т. п. Допускается упрощенное обозначение шерохова­тости поверхности при помощи строчных букв русского алфавита с разъяснением его в технических условиях (рис. 2.28, в).

Шероховатость поверхностей зубьев колес, эвольвентных шлицев указывают на делительной окруж­ности, если на чертежах не приводится их профиль.

Как уже отмечалось выше, волнистость и шероховатость поверхностей оказывают значительное влияние на долговечность подвиж­ных и надежность неподвижных соединений.

В подвижных соединениях в начальный период работы из-за наличия волнистости и ше­роховатости фактическая площадь контакта сопрягаемых поверхностей может уменьшаться до 3 — 5 раз относительно номинальной. В результате происходит упругая и пластическая деформации сжатия и сдвига вершин неровностей, приводящие к интенсивному изнашиванию контактируемых поверхностей в период приработки, и в некоторых случаях к схватыванию трущихся поверхностей, т.е. к катастрофическому износу. Эти процессы сопро­вождаются значительным повышением температуры, что в соединениях типа “подшипник скольжения” приводит к выплавлению антифрикционного слоя и разрушению подшипника. Если же такого аварийного разрушения сопрягаемых поверхностей не происходит, то все равно наблюдаются ускоренный износ поверхностей и значительное увеличение зазора в сопряжении. Этот процесс продолжается до тех пор, пока высота, форма и направление неровностей не достигнут опреде­ленного значения. Такую шероховатость называют оптимальной для данных условий эксплуатации (давления, скорости, условий смазки и т.п.).

Важно отметить, что если неровности поверхности после обработки будут меньше оптимальной величины, то через определенный промежуток времени высота и форма микронеровностей опять приблизятся к оптимальным значениям. Чем больше пер­воначальная шероховатость будет отличаться от оптималь­ной, тем больший износ будет иметь поверхность в период приработки, и на большее значение сократится ресурс соединения.

В неподвижных соединениях шероховатость по­верхностей деталей значительно влияет на их надеж­ность. При напрессовке деталей соединений с натягом происходит частичное сглажи­вание неровностей, при этом изменяется натяг, и в собранном соединении он будет меньше расчетного. Это приводит к уменьшению прочности соединения. С уменьшением высоты неровностей это влияние будет меньшим.

Шероховатость поверхности влияет также на усталостную прочность деталей, так как неровности яв­ляются концентраторами напряжений. Поэтому дета­ли, работающие в циклических условиях, а тем более в условиях знакопеременных нагрузок, не должны иметь грубо обработанных поверх­ностей с большими микроне­ровностями. Кроме этого впадины неровнос­тей являются резервуарами, в которых скапли­ваются вода и другие агрессивные жидкости, поэтому по­верхности с большими неровностями более подвержены коррозии.

В местах уплотнений, где требуется герметичность, большая высота неровностей также вредна.

Как правило, чем меньше допуск на размер, тем жестче устанавливаются параметры шероховатости поверхности. В тоже время прямой зависимости между значением допуска и параметрами шероховатости нет.

При назначении параметра шероховатости Ra можно ориентироваться на наибольшие допускаемые значе­ния этого параметра в зависимости от допуска на размер (T) и допуска формы (Ts), определяемых для следующих условий:

при Ts = 0,6 T Rа£ 0,05 T;

при Ts = 0,4 T Rа£ 0,025 T;

при Ts = 0,25 T Rа£ 0,012 T;

при Ts ‹ 0,25 T Rа£ 0,015 Ts.

На практике иногда при большом допуске на размер назна­чают шероховатость с минимальной высотой неровно­стей для придания декоративного вида поверхности или с целью лучшей защиты ее от коррозии. В других случаях при незначительных допусках на размер добиваются шероховатости со сравнительно большими неровностями, что позволяет лучше удерживать смаз­ку (например, поверхности поршней, направляющих станков, различных салазок).