5.1. Понятие о качестве поверхности

Под качеством поверхности детали (заготовки) понимают состояние ее поверхностного слоя как результат воздействия на него одного или нескольких последовательно применяемых технологических методов обработки.

Качество обработанной поверхности характеризуется двумя основными признаками:

• шероховатостью поверхности;

• физико-механическими свойствами поверхностного слоя.

Качество поверхности оказывает значительное влияние на эксплуатаци­онные свойства деталей машин, поэтому требования к качеству поверхности устанавливаются исходя из назначения данной поверхности.

Задача конструктора при проектировании детали - установить параметры шероховатости поверхности, исходя из назначения детали и условий ее работы.

Задача технолога - обеспечить получение заданной шероховатости по­верхности в процессе изготовления детали наиболее экономичными методами.

5.2. Качество поверхностей заготовок

На шероховатость поверхностей заготовок в процессе их получения влияют различные факторы. Заготовки из проката имеют следы шероховато­стей прокатных валков. У горячештампованных заготовок на поверхности ос­таются следы окалины и воспроизводятся поверхностные неровности штампов. Шероховатость поверхностей отливок зависит от шероховатости стенок литей­ных форм, величины зерен формовочной смеси, плотности ее набивки.

24

Поверхностный слой заготовок по своей структуре, химическому составу и механическим свойствам отличается от аналогичных параметров основного материала, поэтому его называют дефектным. Глубина дефектного поверхност­ного слоя зависит от способа изготовления заготовок.

Поверхностный слой заготовок, полученных горячими методами обра­ботки, имеет обезуглероженную зону.

В таблице 5.1 приведены параметры шероховатости и глубина обезугле-роженного слоя для заготовок, полученных разными способами.

Таблица 5.1

Шероховатость поверхности заготовок и глубина обезуглероженного слоя

Вид заготовки

Величина неровностей, мкм

Глубина обезуглеро-женного слоя, мкм

Прокат до 150 до 150

Штампованные заготов­ки	до 500	до 200
Отливки	до 1500	до 300
Поковки	до 4000	до 1000

5.3. Факторы, влияющие на качество поверхности при механической обработке

Факторы, влияющие на шероховатость поверхности

а) метод обработки

Каждому методу обработки (точению, фрезерованию, строганию, шлифо­ванию и т.п.) свойственен определенный диапазон высот микронеровностей, а также форма и схема расположения штрихов от режущего инструмента на об­рабатываемой поверхности, определяемые кинематикой движения инструмента относительно заготовки (параллельные, кругообразные, пересекающиеся, по спирали и т.д.). В ответственных сопряжениях направление неровностей может быть указано в технических требованиях, например, для трущихся пар направ­ляющих соединений.

Шероховатость поверхности зависит и от геометрических параметров ре­жущего инструмента. Например, при точении изменение в обычных пределах переднего угла γ и заднего угла α (рисунок 10а) оказывает незначительное влияние на шероховатость поверхности.

25

Рис. 5.1. Геометрические параметры режущего инструмента

С уменьшением угла в плане φ и вспомогательного угла в плане φ₁ (рису­нок 5.1б) шероховатость заметно уменьшается. На инструментах с широкой режущей кромкой (рисунок 5.1в) шероховатость обрабатываемой поверхности определяется в основном шероховатостью режущего лезвия на участке 1-2. Этот эффект особенно заметен в начальный период работы инструмента, пока микронеровности лезвия не сгладились. С уменьшением радиуса r скругления вершины резца (рисунок 5.1г) шероховатость резко возрастает.

б) режим резания (скорость резания V, подача S и глубина резания t)

Влияние скорости резания на шероховатость обработанной поверхности иллюстрируется на рисунке 5.2а. Наибольшего значения высота микронеровно­стей достигает при скоростях резания 20 - 25 м/мин. Зона увеличенной шерохо­ватости связана с образованием нароста на режущей кромке инструмента. С увеличением скорости резания наростообразование прекращается, стружка от-

деляется режущим инструментом более плавно без вырывания частиц из ме­талла, что приводит к уменьшению высоты неровностей.

Рис.5.2. Зависимость шероховатости от скорости резания (а) и подачи (б)

26

Влияние подачи на шероховатость поверхности зависит от метода обра­ботки и инструмента. Из рисунка 5.2б видно, что увеличение подачи приводит к ухудшению параметров шероховатости поверхности в разной степени. При точении стандартными резцами с углом в плане 45° и малым радиусом закруг­ления при вершине резца подача существенно влияет на шероховатость по­верхности (кривая 1). При точении резцами с широкой режущей кромкой (кри­вая 2) шероховатость поверхности не зависит от подачи, что позволяет повы­сить производительность отделочных операций. При сверлении, зенкеровании, торцевом и цилиндрическом фрезеровании изменение подачи слабо влияет на шероховатость (кривая 3).

Глубина резания не оказывает заметного влияния на шероховатость по­верхности, если жесткость технологической системы достаточно велика.

в) свойства материала заготовок

На шероховатость поверхности влияют механические свойства, химиче­ский состав и структура материала заготовок. При обработке заготовок из мяг­кой низкоуглеродистой стали получается поверхность с большей шероховато­стью, чем при обработке заготовок из твердых сталей с большим содержанием углерода. Заготовки из сталей с мелкозернистой или пластинчатой структурой обрабатываются лучше заготовок из сталей с крупнозернистой структурой.

г) жесткость системы СПИД и ее вибрации

На шероховатость поверхности влияет жесткость технологической систе­мы. В частности, при различных способах закрепления заготовки при обработке наблюдается увеличение высоты неровностей на участках с меньшей жестко-

стью. Так, при консольном закреплении вала шероховатость поверхности ухудшается на свободном конце вала, при закреплении в центрах длинных ва­лов шероховатость увеличивается на среднем участке вала.

Рис. 5.3. Влияние жесткости системы на шероховатость поверхности

27

Вибрации элементов технологической системы изменяют положение ре­жущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности, созда­вая на ней выступы и впадины, величина и форма которых зависит от частоты и амплитуды колебаний.

д) применение и правильный подбор смазочно-охлаждающей жидкости

Соответствующим выбором смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) можно уменьшить шероховатость поверхности и повысить стойкость инстру­мента. По сравнению с обработкой без применения СОЖ высота микронеров­ностей при правильном выборе СОЖ может быть уменьшена на 25 - 40%.

Факторы, влияющие на глубину дефектного слоя

Физико-механические свойства поверхностного слоя деталей машин из­меняются в процессе обработки под влиянием совместного действия силовых и тепловых факторов. Под действием сил резания в поверхностном слое при пла­стической деформации возникает наклеп, наблюдается искажение кристалличе­ской решетки. Поверхностный слой 1 на рисунке 5.4 выделен условно. В дейст­вительности граница между поверхностным слоем 1 и сердцевиной 2 размыта.

Рис.5.4. Изменение твердости по глубине поверхностного слоя

В средней части поверхностного слоя условно показана граница (пунк­тирная линия), разделяющая поверхностный слой на две части. Часть слоя, рас­положенная ближе к поверхности, имеет самую высокую твердость. В слое, расположенном ближе к сердцевине, твердость резко снижается и остается по­стоянной в сердцевине.

Поверхностный слой всегда имеет напряжения, отличные от напряжений в сердцевине материала детали.

28

Степень наклепа и глубина проникновения пластической деформации за­висит от методов обработки и режимов резания. При повышении подачи и уве­личении глубины резания пластические деформации увеличиваются, что при­водит к увеличению толщины дефектного слоя. Повышение скорости резания (характерное для чистовых операций с малыми силами резания) приводит к уменьшению толщины дефектного слоя.

Из таблицы 5.2 видно, что после черновых операций точения, растачива­ния, фрезерования, сверления глубина деформированного поверхностного слоя значительна и составляет от 0,15 до 0,5 мм. После чистовых операций точения. растачивания глубина деформированного поверхностного слоя невелика – до 0,05 мм, а после окончательного шлифования глубина этого слоя составляет не более 0,03 мм.

Таблица 5.2 Глубина деформированного поверхностного слоя

Метод обработки	Глубина слоя, мкм
Точение: черновое чистовое	120-60 30-20
Растачивание: черновое чистовое	50-20 25-10
Шлифование предварительное чистовое	20 15-5
Сверление, зенкерование	70-20
Развертывание	25-5