1.1.4. Нормирование волнистости

Волнистостью называется отклонение от прямолинейности или любой заданной формы поверхности, имеющее характер периодических возвышений и впадин с относительно большими шагами.

Допуск на волнистость назначается на максимальную высоту волны на длине измерения не менее 10 мм.

Разграничение неровностей на волнистость и шероховатость носит условный характер. Критерием разграничения является отношение длины шага к высоте волны l/H. Для волнистости l/H=51-1000; для шероховатости l/H=0-50.

Волны могут образовываться в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В этой связи различают продольную и поперечную волнистость. Возникает волнистость в результате вибраций системы СПИД, неравномерности подачи инструмента, неправильной заправки шлифовального круга и др.

Износостойкость сопрягаемых деталей в значительной степени зависит от волнистости. Это, главным образом, связано с тем, что наличие волны приводит к уменьшению опорной поверхности детали (рис. 7). Износ поверхностей начинается с вершин микронеровностей на участкахА (рис. 7, б), что и определяет интенсивность изнашивания.

а) б)

Рис. 7 Сопряжение идеальной поверхности 1 с поверхностью 2, имеющей:

а) – только микронеровности; б) – волнистость, покрытую микронеровностями

Волнистость рабочих поверхностей оказывает влияние на уровень вибрации шарикоподшипников и, следовательно, определяет их долговечность. Волнистость можно рассматривать как отклонение формы второго порядка, а шероховатость как отклонение формы третьего порядка (рис. 9).

1.1.5. Нормирование шероховатости

Наиболее важной геометрической характеристикой детали, определяющей безотказность работы, является шероховатость поверхности. Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей на рассматриваемой поверхности с относительно малыми шагами, образующей микрорельеф поверхности. Профиль микронеровностей рассматривается на длине l базовой линии, в пределах которой оцениваются параметры шероховатости поверхности. Отношение шага неровностей к их высоте для шероховатости не превышает 50. Шероховатость поверхности ухудшает качественные показатели работы деталей. В подвижных соединениях она приводит к преждевременному износу поверхностей, так как при работе деталей металлические гребешки стираются, продукты износа смешиваются с маслом и ускоряют процесс изнашивания поверхностей. В неподвижных соединениях шероховатость ослабляет прочность. Кроме того, шероховатость ухудшает герметичность соединений и коррозионную стойкость.

Для количественной оценки шероховатости в основном используют два высотных показателя R_a и R_z. Для их определения через кривую, описывающую профиль шероховатости проводят прямую, которая делит выступы и впадины так, что сумма площадей выступов F_выст равна сумме площадей впадин F_вп. Такая прямая называется средней линией. Условие средней линии записывается формулой:

(3)

Сумма расстояний от средней линии до отдельных точек профиля yi, делённая на их количество, называется средним арифметическим отклонением профиля (рис. 10):

(4)

и обозначается

Вторым высотным параметром шероховатости является средняя высота шероховатости R_z, определяемая, как среднее расстояние между пятью точками выступов и пятью точками впадин. Отсчёт расстояний ведётся от линии, параллельной средней линии (рис. 10).

(5)

Средняя высота шероховатости обозначается

Величины R_a и R_z имеют размерность в микрометрах и назначаются из геометрического ряда со знаменателем 2. Высотные параметры R_a и R_z являются основными при оценке шероховатости. Параметр R_z рекомендуется применять для поверхностей с большой (R_z >20 мкм) и малой (R_z < 0,08 мкм) шероховатостью, параметр R_a – для поверхностей со средней шероховатостью (0,08<R_a<20 мкм). Это определяется техническими возможностями существующих методов и приборов для оценки параметров шероховатости. Кроме, параметров R_a и R_z большое распространение получили следующие показатели:

1. R_max - наибольшая высота неровностей равная расстоянию между линией выступов и линией впадин профиля в пределах базовой длины.

Линии выступов и впадин профиля - это линии параллельные средней линии, проходящие соответственно через высшую или низшую точку профиля в пределах длины (рис. 11).

Рис.11 Схема определения параметров шероховатости

2. Средний шаг неровностей профиля S_m — среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины:

, (9)

где n₂ – число шагов в пределах базовой длины, S_mi - шаг неровностей профиля i-того участка, т.е. длина отрезка средней линии профиля, содержащая выступ профиля и сопряженную с ним впадину профиля.

3. Средний шаг местных выступов профиля S - среднее арифметическое значение шагов местных выступов профиля (по вершинам) в пределах базовой длины:

, (10)

где n₃ – число шагов неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины, S_i - шаг местных выступов профиля, т.е. длина отрезка средней линии между проекциями на нее двух наивысших точек соседних выступов профиля.

Шаговые параметры S и S_m определяют взаимное расположение одноименных точек неровностей, а также форму профиля. С увеличением S и S_m при неизменных высотных параметрах R_a , R_z микропрофиль становится более пологим. По мере уменьшения разницы между S и S_m профиль неровностей становится более однородным, т. е. регулярным.

4. Относительная опорная длина профиля t_p - это отношение опорной длины профиля l_p к базовой длине (%):

, (11)

где l_p – опорная длина профиля, которая определяется суммой длин отрезков, отсекаемых на заданном уровне р выступов профиля линией, параллельной средней линии в пределах базовой длины :

(12)

где B_i – длина отрезка, отсекаемого на выступе профиля; n₄ – число отсекаемых выступов профиля.

Уровнем сечения профиля р называется относительное, в %, расстояние между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль, паралельно линии выступов. Числовые значения относительной опорной длины профиля t_p выбираются из ряда: 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 %, а значения уровня сечения профиля р из рада: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 % от R_max. Параметр t_p дает наиболее полное представление о форме неровностей, степени заполнения профиля металлом и его жесткости. По кривым изменения t_p по высоте уровня сечения профиля можно судить о форме неровностей и его жесткости (рис. 12).

Рис. 12. Кривые опорных линий профилей: а – жесткий; б – малой жесткости; в – средней жесткости

Перечисленный комплекс параметров шероховатости позволяет охарактеризовать высоту, шаг и форму микрорельефа. При одинаковых высотных параметрах микрорельеф может иметь различную форму, шаг (рис. 13) и различное влияние на эксплуатационные свойства детали.

Рис.13 Микропрофиль поверхности: а,б – среднежесткий в - маложесткий; г,д жесткий

На эксплуатационные свойства поверхности детали помимо указанных высотных параметров оказывают также радиусы закругления выступов r_в и впадин r_вп неровностей, углы наклона их боковых сторон β и расстояние от линии выступов до средней линии R_p. Эти параметры, в некоторой своей части отражаемые соотношением высотных и шаговых параметров микронеровностей, а также относительной опорной длиной профиля, оказывают существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей. Так износостойкость зависит от высоты микронеровностей, формы и радиуса закругления их вершин, коррозионную стойкость зависит от высоты микронеровностей, радиусов закругления их впадин, контактная жёсткость зависит от относительной опорной длины профиля поверхности, радиуса закругления вершин, шага неровностей профиля, угла наклона боковых сторон микронеровностей и т.д.

Ориентировочно шероховатость в зависимости от точности удобно назначать по формуле:

(13)

где JT – номер квалитета.

Расчёты по этой формуле дают:

JT	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Ra, мкм	0,08	0,16	0,32	0,63	1,25	2,5	5	10	20	40

Параметры шероховатости оказывают влияние на все основные эксплуатационные характеристики, определяющие долговечность и надёжность деталей машин.

Обеспечить необходимую шероховатость рабочих поверхностей можно различными видами механической обработки (таблица 1).

В таблице 1 указаны следующие методы обработки: 1) резцами и фрезами, черновая; 2) резцами, чистовая; 3) фрезами, чистовая; 4) развёртывание; 5) шлифование грубое; 6) шлифование чистое; 7) притирка; 8) полирование; 9) доводка. А также параметры: l – базовая длина; R_a – среднее арифметическое отклонение профиля; R_z – высота неровностей.

Таблица 1

Шероховатость поверхности, достигаемая при различных видах механической обработки

№ п/п	l, мм	Ra, мкм	Rz, мкм	Методы обработки
				1	2	3	4	5	6	7	8	9
		не более
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.	8 2,5 0,8 0,25 0,08	80 40 20 10 5 2,5 1,25 0,63 0,32 0,16 0,08 0,04 0,02 0,01	320 160 80 40 20 10 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05	Х Х Х	Х Х Х Х Х	Х Х	Х Х	Х Х	Х Х Х Х	Х Х Х Х Х	Х Х Х Х Х	Х Х Х Х Х