3 Нормирование точности формы, шероховатости и расположения поверхностей деталей машин

3.1 Шероховатость поверхности

На поверхности детали после ее обработки остаются следы от кромок режущего инструмента в виде неровностей и гребешков, близко расположенных друг от друга. Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей с относительно малыми шагами, выделенная на базовой длине (L). Шероховатость поверхностей влияет на эксплуатационные свойства деталей машин и механизмов. В подвижных посадках за счет износа поверхностей увеличивается зазор. В соединениях с натягом ослабляется прочность соединения и величина натяга за счет смятия гребешков. Шероховатость влияет на герметичность соединения, коррозионную стойкость, усталостную прочность и другие качественные показатели изделия.

Для нормирования шероховатости поверхностей по ГОСТ 2789 установлено (рисунок 3.1) шесть параметров: три высотных (Ra; Rz; Rmax), два шаговых (Sm; S) и параметр относительной опорной длины профиля (tp).

Рисунок 3.1 – Профилограмма шероховатости поверхности

Характеристика параметров шероховатости:

Ra – среднее арифметическое отклонение профиля, мкм:

,

где у_i – расстояние между любой точкой профиля и средней линией т, средняя линия имеет форму номинального профиля и проводится так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально;

п – количество рассматриваемых точек профиля на базовой длине L;

Rz – высота неровностей профиля по 10–ти точкам, мкм:

где H_imax , H_imin – высота наибольшего выступа и глубина наибольшей впадины, мкм;

R_max – наибольшая высота профиля – расстояние между линией выступов и линией впадин, мкм;

S_m – средний шаг неровностей профиля по средней линии, мкм:

S – средний шаг местных выступов профиля, мкм:

где n–количество шагов в пределах базовой длины;

t_p – относительная опорная длина профиля:

где р – уровень сечения профиля в % – это расстояние между линией выступов и линией пересекающей профиль, эквидистантно линии выступов, за 100 % принимается R_max;

b_i – длина отрезка, отсекаемая на заданном уровне в материале, мм;

L – базовая длина, мм.

Направления неровностей обработки зависят от метода и технологии изготовления, влияют на работоспособность, износостойкость и долговечность изделия. Условные обозначения направления неровностей (см. таблицу 3.1) указывают на чертеже при необходимости.

Таблица 3.1 – Условное обозначение направлений неровностей

Тип направления неровностей	Обозначение	Тип направления неровностей	Обозначение
Параллельное		Произвольное
Перпендикулярное		Круговое
Перекрестное		Радиусное

Нормирование шероховатости поверхности по ГОСТ 2789 выполнено с учетом международных стандартов.

Выбор параметров производится с учетом эксплуатационных свойств поверхности. Предпочтительным принят параметр Ra – среднее арифметическое отклонение профиля, так как он определяет шероховатость по всем точкам профиля. Средняя высота неровностей по 10 точкам Rz используется в тех случаях, когда нельзя измерить Ra на приборах типа профилометр путем ощупывания поверхности алмазной иглой. Шаговые параметры влияют на виброустойчивость, сопротивление в волноводах и электропроводность в электротехнических деталях. Параметр t_p необходимо учитывать при высоких требованиях к контактной жесткости и герметичности.

В ГОСТ 2789–59 предусматривалось 14 классов шероховатости в порядке уменьшения значений параметров. В сравнительной таблице 3.2 даны соотношения между классами шероховатости и другими высотными параметрами. С 1983 года для всех классов введен ряд значений Ra предпочтительного применения по 1-му варианту.

Таблица 3.2 – Значения высотных показателей шероховатости поверхности

Обозначение класса шероховатости поверхности по ГОСТ 2789–59	Значения параметров в мкм по ГОСТ 2789–73				Базовая длина l,мм
	Ra			Rz
	Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
1	50	80	100	320	8,0
2	25	40	50	160
3	12,5	20	25	80
4	6,3	10	12,5	40	2,5
5	3,2	5	6,3	20
6	1,6	2,5	3,2	10	0,8
7	0,8	1,25	1,6	6,3
8	0,4	0,63	0,8	3,2
9	0,2	0,32	0,4	1,6	0,25
10	0,1	0,16	0,2	0,8
11	0,05	0,08	0,1	0,4
12	0,025	0,04	0,05	0,2
13	0,012	0,02	0,025	0,1	0,08
14	0,006	0,01	0,012	0,05
Примечания: 1 Нормирование Ra по варианту 1 является предпочтительным. 2 Значения Ra по варианту 3 иRz полностью соответствуют верхнему пределу класса.

Таблица 3.3 – Рекомендации по выбору параметров шероховатости поверхности – Ra, мкм, в зависимости от эксплуатационных требований

Характеристика поверхности

Эксплуатационные требования

Посадки с натягом

Квалитет

Поверхности детали

Номинальный размер, мм

До 50

Свыше 50 до 120

Свыше120до500

а) Сборка под прессом (силовым методом)

5

Вал

0,1–0,2

0,4

0,4

Отверстие

0,2–0,4

0,8

0,8

6–7

Вал

0,4

0,8

1,6

Отверстие

0,8

1,6

1,6

8

Вал

0,8

0,8–1,6

1,6–3,2

Отверстие

1,6

1,6–3,2

1,6–3,2

б) Сборка терми ческим методом

6–7

Вал

1,6

Отверстие

1,6–3,2

Посадки с зазором

5

Вал

0,2

0,4

Отверстие

0,4

0,8

6

Вал

0,4

0,8

Отверстие

0,4–0,8

0,8–1,6

7

Вал

0,4–0,8

0,8–1,6

Отверстие

0,8

1,6

8

Вал

0,8

1,6

Отверстие

0,8–1,6

1,6–3,2

9–10

Вал

1,6

3,2

Отверстие

1,6–3,2

3,2–6,3

11–12

Вал

3,2

6,3

Отверстие

3.2–6.3

6,3–12,5

Селективная (групповая)сборка

Поверхность

Допуск сортировочной группы, мкм

2,5

5

10

20

Вал

0,1

0,2

0,4

0,8

Отверстие

0,2

0,4

0,8

1,6

Переходные посадки с точным центрированием

Поверхность

Допуск радиального биения, мкм

2,5

4

6

10

16

25

Вал

0,05

0,1

0,1

0,2

0,4

0,8

Отверстие

0,1

0,2

0,2

0,4

0,8

1,6

Поверхности под подшипники качения

Номинальныйдиаметр

Поверхность детали

Класс точности подшипника

0

6; 5

4

2

До 80

Вал

0,8(1,25)

0,4(0,63)

0,2(0,32)

0,1(0,16)

Отверстие в корпусе

0,4(0,63)

0,2(0,32)

Торцы заплечников

1,6(2,5)

0,8(1,25)

0,4(0,63)

Свыше 80 до500

Вал

1,6(2.5)

0,8(1,25)

0.4(0,63)

0,2(0,32)

Отверстие в корпусе

0,8(1,25)

0,4(0,63)

Торцы заплечников

1,6(2,5)

0,4(0,63)

Поверхности под подшипники скольжения

Поверхность

Квалитет допуска размера

6–9

10–12

Вал

0,4–0,8

0,8–3,2

Отверстие

0,8–1,6

1,6–3,2

Поверхности под уплотнения

Вид уплотнения

Скорость вращения, м/с

До3

Св. 3 до 5

Св. 5

Резиновое

0,8–1,6 полировать

0,4–0,8 полировать

0,2–0,4 полировать

Войлочное

0,8–1,6 полировать

0,8–1,6 полировать

–

Лабиринтное

3,2–6,3

3,2–6,3

–

Соединения с призматическими и сегментными шпонками

Вид соединения

Поверхности

Шпонка

Паз вала

Паз втулки

Неподвижное

Рабочая

3,2

1,6–3,2

1,6–3.2

Нерабочая

6,3–12,5

С направляющей шпонкой

Рабочая

1,6–3,2

Нерабочая

6,3–12,5

Зубчатые и червячные передачи

Степень точности

Поверхности

5

6

7

8

9

10

Профиль зубьев

0,2–0,4

0,4

0,4–0,8

1,6

3,2

6,3

Профиль витка червяка

0,2

0,4

0,4–0,8

0,8–1,6

1,6–3,2

–

Диаметр выступов

3,2–12,5

Резьбовые соединения

Назначение резьбы

Степень точности

4; 5

6; 7

8; 9

Крепежная

1,6

3,2

3,2–6,3

Ходовой винт

–

0,4

0,8

Гайка под ходовой винт

–

0,8

1,6

Шлицевые соединения

Характер соединения

Поверхности

Зуб вала

Впадина отверстия

Центрирующие

Нецентрирующие

Вал

Отвер­стие

Вал

Отверстие

Подвижное

0,4–0,8

0,8–1,6

1,6–3,2

3,2

0,4–0,8

0,8–1,6

Неподвижное

0,4–0,8

0,8–1,6

1,6–6,3

3,2–6,3

1,6–3,2

1,6–3,2

Нерабочие поверхности валов, осей. Открытые свободные поверхности втулок, кронштейнов, ступиц и т.д.

6,3–12,5

Нерабочие поверхности зубчатых колес (диаметр впадин). Канавки, фаски, выточки закругления у всех видов деталей. Поверхности головок болтов, винтов, гаек

3,2–12,5

Кромки деталей под сварные швы

50–100

свободные поверхности органов управления (рукоятки, маховики и т.д.)

0,4–1,6

Таблица 3.4 – Экономическая точность механической обработки

Квалитет	Степень точности при L ≤ 2d					Шероховатость поверхности Ra. мкм	Метод числовой обработки
	Относительная геометрическая точность		Формы цилиндрической поверхности	Формы плоской поверхности	Радиального и торцового биения
5	А В С		4	5	4	0,2 – 0,4	Доводка
			3	4	3	0,1 –0,2	Суперфиниш
			(2)	(3)		0,05–0,1	Хонингование
6	А В С		5	6	5	0,4– 1,6	Алмазное выглаживание
			4	5		0,2 – 0,8	Тонкое точение
			(3)	(4)		0,1 –0,2	Чистовое шлифование
7	А В С		6	7	6	0,8–3.2	Чистовое шлифование Тонкое точение Тонкое растачивание Шабрение Выглаживание
			5	6		0,4 –0,8
			(4)	5		0,2 – 0,4
8	А В С		7	8	7	0,8–3,2
			6	7		0,4 – 0,8
			5	6		0,2 – 0,4
9	А В С	8		8	7	3,2 –6,3	Шлифование Развертывание Чистовое точение, растачивание Фрезерование Строгание Протягивание Шабрение
		7				1,6–3,2
		6				0,8– 1,6
10	А В С	9		9	8	3,2 – 6,3
		8				1,6–3,2
		7				0,8–1,6
11	А В С	10		10	8	6,3–12.5	Строгание Протягивание Сверление Точение Зенкерование Фрезерование
		9				3,2 –6,3
		8				1,6–3,2
12	А В	11		11	9– 10	12,5–25
		10				6,3– 12,5
Примечание:В скобках указаны труднополучаемые степени точности

Определение значений параметров шероховатости может быть выполнено методом подобия и расчетным методом. Примеры выбора числовых значении Ra в зависимости от вида соединения даны в таблице 3.3. Метод подобия ориентируется на экономическую точность, которая устанавливает зависимость шероховатости и формы поверхности от допуска размера и применяемого отделочного метода обработки (см. таблицу 3.4).

Минимальные требования к шероховатости поверхности в зависимости от допусков размера и формы даны в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Минимальные требования к шероховатости поверхности в зависимости от допуска размера и формы поверхности

Квалитет допуска размера	Допуск формы в % от допуска размера	Номинальные размеры, мм
		До 18	Свыше 18 до 50	Свыше 50 до 120	Свыше 120 до 500
		Значение Ra, мкм, не более
5	100	0,4	0,8	1,6	1,6
	60	0,2	0,4	0,8	0,8
	40	0,1	0,2	0,4	0,4
6	100	0,8	1,6	3,2	3,2
	60	0,4	0,8	0,8	1,6
	40	0,2	0,4	0,4	0,8
7	100	1,6	3,2	3,2	3,2
	60	0,8	1,6	1,6	3,2
	40	0,4	0,8	0,8	1,6
8	100	1,6	3,2	3,2	3,2
	60	0,8	1,6	3,2	3,2
	40	0,4	0,8	1,6	1,6
9	100 и 60	3,2	3,2	6,3	6,3
	40	1,6	3,2	3,2	6,3
	25	0,8	1,6	1,6	3,2
10	100 и 60	3.2	6.3	6,3	6,3
	40	1,6	3,2	3.2	6,3
	25	0,8	1,6	1,6	3,2
11	100 и 60	6,3	6,3	12,5	12,5
	40	3,2	3,2	6,3	6,3
	25	1,6	1,6	3,2	3,2
12 и 13	100 и 60	12,5	12,5	25	25
	40	6,3	6,3	12,5	12,5
14 и 15	100 и 60	12,5	25	50	50
	40	12,5	12,5	25	25
16 и 17	100 и 60	25	50	100	100
	40	25	25	50	50

При расчетном методе определяется коэффициент шероховатости К_r в зависимости от уровня относительной геометрической точности (см. таблицу 3.11):

Ra = К_r T,

где Т – допуск на размер, ограничивающий данную поверхность (Td; TD). Расчетное значение округлить в сторону уменьшения до величин таблицы 3.2., вариант 1.

Соотношение между Ra и Rz колеблется в пределах от 4 до 7 раз, Rz больше, чем Ra.

Контроль шероховатости может быть выполнен контактным методом (профилометром, профилографом) и бесконтактным на приборах теневого и; светового сечения. Раковины, рыхлоты, царапины и другие поверхностные дефекты в оценку шероховатости не включаются. При необходимости требования к дефектам поверхности должны быть установлены отдельно.

В цеховых условиях оценку шероховатости выполняют методом сличения, путем сравнения с образцами шероховатости, которые должны быть из одноименной группы материала (сталь для стальных деталей, чугун – для чугунных и т.д.), с соответствующим методом обработки (точения, шлифования и т.д.) и соответствующей формой поверхности (выпуклые для валов, вогнутые для отверстий, плоские для плоскостей).

Указание требований к шероховатости поверхностей производится на чертежах согласно ЕСКД по ГОСТ 2.309. Обозначение шероховатости состоит из условного значка и числовых значений:

–основной знак, когда метод обработки поверхности чертежом не регламентируется;

–знак, соответствующий поверхности, полученной удалением слоя металла (точением, сверлением, фрезерованием, шлифованием и т.д.);

–знак, соответствующий поверхности в состоянии поставки, без удаления слоя металла (литье, штамповка, поковка и т.д.).

До 2005г. требовалось указывать символ и числовые значения в растворе знака, символ Ra не указывался на чертеже, остальные символы должны быт записаны перед числовым значением, в мкм.

Например: означает Ra = 1,6 мкм, Rz = 40 мкм, Ra = 12,5 мкм.

Согласно изменениям, внесенным в межгосударственный стандарт ГОСТ 2.309–73 «ЕСКД. Обозначения шероховатости поверхностей», указанные примеры должны быть записаны в следующем виде:

Изменения № 3 к ГОСТ 2.309–73, которые вступили в силу с 01.01 05г., сле­дующие:

- обязательно указывать символ Ra перед его числовым значением;

- все параметры записывать под полочкой. Также под полочкой знака могут быть указаны: условные обозначения неровностей; базовая длина (если отличается от стандартной) и все параметры шероховатости по строчкам, начиная с Ra (или Rz), далее шаговые и далее t_p;

- над полочкой указывают способ обработки и другие дополнительные требования (например, полировать);

- заменить указанное обозначение на

- ввести новый знак направления неровностей: – для поверхностей, полученных методом порошковой металлургии путем спекания;

- допускается указывать требования к шероховатости поверхности на прямоугольной рамке (расположенной горизонтально), содержащей допуск формы поверхности.