§ 18. Факторы, влияющие на качество поверхности

Шероховатость поверхностей заготовок возникает от воздействия ряда факторов в процессе их получения. Заготовки из проката имеют следы шероховатостей прокатных валков. Высота поверхностных неровностей горячекатаного проката не превышает 150 мкм, а холодно­тянутого 50 мкм. Заготовки, полученные свободной ковкой, в зависи­мости от размера имеют неровности поверхности 1,5 4 мм. У горячештампованных заготовок на поверхности остаются следы окалины и воспроизводятся поверхностные погрешности штампов. В зависи­мости от размера заготовок и состояния штампов высота поверхност­ных неровностей составляет 150 500 мкм.

Шероховатость поверхностей отливок зависит от шероховатости стенок литейных форм, величины зерен формовочной смеси, плотно­сти ее набивки и ряда других факторов. При литье в песчаные формы ручной формовки мелких заготовок поверхностные неровности дости­гают 500 мкм при литье крупных заготовок — 1500 мкм. При машин­ной формовке они равны 300 мкм; при кокильном и центробежном литье 200 мкм; при литье под давлением 10 мкм; при литье по выплавляемым моделям и в корковые формы 10 40 мкм.

Поверхностный слой заготовок, полученных ковкой, горячей штам­повкой и прокаткой, состоит из обезуглероженной зоны и переходит в зону, в которой наблюдается частичное обезуглероживание. Глуби­на обезуглероженного слоя: у заготовок, полученных свободной ков­кой, 500 1000 мкм (в зависимости от их размера); у проката до 150 мкм и у калиброванного проката до 50 мкм. Отливки из серого чугуна имеют перлитную корку (перлитная зона) на глубину порядка 300 мкм и за ней зону со значительным содержанием феррита, перехо­дящую постепенно в основную зону.

Поверхностный слой стальных отливок имеет зону обезуглерожи­вания глубиной до 200 мкм и далее переходную зону с частичным обез­углероживанием. На рис. 49, а показан микрошлиф стальной отлив­ки, полученной по выплавляемой модели. Поверхностный слой обезуглерожен почти до чистого феррита на глубину 150 мкм. На рис. 49, б показан микрошлиф стальной горячештампованной заготовки, на нем хорошо виден обезуглероженный слой глубиной 200 мкм и поверх­ностные неровности, При обработке заготовок резанием на их поверхности возникают микронеровности. Шероховатость, измеренная в направлении дви­жения подачи (поперечная шероховатость), обычно больше шерохо­ватости, измеренной в направлении главного движения режущего инструмента (продольная шероховатость). На шероховатость обра­ботанной поверхности влияет ряд факторов.

Прежде всего она зависит от метода обработки. Каждому методу обработки свойствен определенный диапазон высоты микронеровно­стей, форма штрихов от режущего инструмента и схема расположения их на обработанной поверхности, определяемая кинематикой дви­жения инструмента относительно заготовки.

Р ежимы резания оказывают заметное влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности. Наибольшее влияние на них оказывает скорость резания, с увеличением которой до значения 20 25 м/мин высота микронеровностей достигает наибольшего значения. При даль­нейшем увеличении скорости резания, при прочих неизменных усло­виях, шероховатость поверхностей постепенно уменьшается (рис. 50, а). Зона увеличенной шероховатости связана с образованием нароста на режущей кромке инструмента. С увеличением скорости резания на ростообразование прекращается и шероховатость уменьшается, что очень хорошо заметно при обработке стали. На шероховатость по­верхности влияют пластические явления захвата и отрыва слоев металла, расположенных под режущей кромкой (обработка стали) и явления хрупкого выламывания частиц материала (обработка се­рого чугуна и твердых цветных сплавов). При высоких скоростях ре­зания стружка отделяется режущим инструментом более плавно без вырывания кристаллов металла.

Влияние подачи на шероховатость поверхности при разных методах обработки сказывается по-разному. При точении стан­дартными проходными резцами с углом в плане 45° и малым радиусом закругления вершины (до 2 мм) влияние подачи весьма заметно (кривая 1 на рис. 50, б). При точении резцами с широкой режущей кромкой (кривая 2) влияние подачи практически отсутствует, что позволяет повысить производительность отделочных операций. Умеренное влияние подачи на шероховатость поверхности наблюда­ется при сверлении и зенкеровании отверстий, торцовом и цилиндрическом фрезеровании и других методах обработки (кривая 3).

Глубина резания не оказывает заметного влияния на шероховатость поверхности, если жесткость технологической системы достаточно ве­лика. В некоторых случаях (снятие литейной корки или удаление на­клепанного слоя) увеличение глубины резания уменьшает шерохова­тость поверхности, так как инструмент работает по основному металлу.

Форма режущей кромки инструмента также влияет на шерохова­тость поверхности. Однако образование микронеровностей нельзя объяснить только следом движения режущей кромки в материале за-

готовки. Фактическая шероховатость особенно при чистовой и тонкой обработке получается всегда больше расчетной, найденной из гео­метрических соотношений.

При шлифовании класс шероховатости повышается с увеличе­нием окружной скорости шлифовального круга, уменьшением скорости вращения обрабатываемой заготовки, размера зерна кру­га и глубины шлифования. Шлифование с выхаживанием повышает класс шероховатости поверхности.

Микронеровности образуются также вследствие трения задней по­верхности инструмента по обрабатываемой поверхности заготовки, которое возрастает по мере износа режущего инструмента. Уменьше­ние неровностей и зазубрин на режущей кромке путем ее доводки спо­собствует получению более гладкой обработанной поверхности. Это особенно заметно при чистовой обработке инструментами с широкой режущей кромкой — развертками, протяжками, широкими резцами.

Па шероховатость поверхности влияют механические свойства, химический состав и структура материала заготовок. При обработке заготовок из мягкой низкоуглеродистой стали получается более шеро­ховатая поверхность, чем при обработке заготовок из твердой стали с большим содержанием углерода. Заготовки из стали с повышенным содержанием серы (автоматные стали) и из стали с присадкой свинца имеют более чистую поверхность среза, чем заготовки из обычных сталей. Заготовки из сталей с мелкозернистой структурой обрабаты­ваются лучше заготовок из сталей с крупнозернистой структурой. Заготовки из стали со структурой пластинчатого перлита обрабаты­ваются хуже заготовок из сталей с глобулярным перлитом.

Соответствующим выбором смазочно-охлаждающей жидкости мож­но уменьшить шероховатость в пределах до одного класса и по­высить стойкость инструмента. Так, применением минеральных осерненных и растительных масел высота микронеровностей уменьшает­ся на 25—40% по сравнению с обработкой без охлаждения. Класс шероховатости поверхности при шлифовании можно повысить тща­тельной фильтрацией охлаждающей жидкости от частиц абразива.

На получаемую при обработке шероховатость поверхности оказы­вает существенное влияние жесткость технологической системы. Не­постоянство жесткости в разных сечениях заготовки, обусловленное условиями ее закрепления, вызывает неоднородность шероховатости обработанной поверхности. При консольном креплении обрабатыва­емого вала (рис. 51, а) шероховатость поверхности понижается на сво­бодном конце вала; при обработке в центрах с вращающимся задним центром (рис. 51, б) шероховатость поверхности снижается у заднего центра при длине вала l до 15 диаметров d, а при большей длине вала шероховатость поверхности ухудшается от заднего центра к середине его длины и затем улучшается по мере приближения к переднему центру. Неоднородность шероховатости поверхности может быть в пределах одного и иногда двух классов.

Вибрации элементов технологической системы периодически из­меняют положение режущей кромки инструмента относительно обра­батываемой поверхности, создавая на ней выступы и впадины. На процесс вибрации влияют: жесткость системы, зазоры в ее звеньях, неуравновешенность вращающихся частей, дефекты приводов и дру­гие причины.

В зависимости от частоты и амплитуды колебаний изменяются форма и размеры поверхностных неровностей. При относительно невы­сокой частоте и большой амплитуде колебаний на обрабатываемой по­верхности образуется волнистость; она может изменяться на отдельных участках поверхности в зависимости от изменения жесткости техноло­гической системы в различных сечениях обрабатываемой заготовки.

Зная влияние технологических факторов на шероховатость по­верхности, можно создавать условия обработки, обеспечивающие достижение заданной шероховатости поверхности. В практической работе технологи пользуются для этой цели вспомогательными материалами,

созданными на основе экспери­ментальных данных для нахождения наиболее правильного сочетания условий об­работки.

Физико-механические свойства поверхностного слоя деталей машин изменяются под влиянием комплексного воздействия силовых и тепловых факторов в процессе обработки. При обработке лезвийными ин­струментами превалирующее воздействие оказывают силовые факторы. Результатом силового воздействия при пластической деформации является разрушение структуры, повороты и смещения кристаллов и наклеп поверхностного слоя, характеризуемый повышением микротвердости и снижением вязкости.

В поверхностном слое стальных деталей наблюдаются три зоны:

а) зона резко выраженной деформации; она характеризуется значительными искажениями кристаллической решетки, измельченными зернами, завихренным строением структурных составляющих и рез­ким повышением микротвердости;

б) зона деформации, характеризуемая вытянутыми зернами, наволакиванием одних зерен на другие и значительным снижением микротвердости сравнительно с верхним слоем;

в) переходная зона, представляющая собой зону влияния деформа­ции и постепенного перехода к нормальному строению основного ме­талла.

При обработке заготовок из серого чугуна иногда обнаруживается слабо выраженная деформация на глубину не более 15 мкм. При чистовой и черновой обработке стали деформация распространяется на глубину от 50 до 100—300 мкм, а при обдирке—до 500— 1000 мкм.

Остаточные напряжения в поверхностном слое зависят от многих факторов. На рис. 52 показана типичная схема распределения оста­точных напряжений а после шлифования в зависимости от глубины h поверхностного слоя.

При шлифовании состояние поверхностного слоя в значитель­ной мере определяется тепловыми явлениями, а также силовыми воздействиями. В поверхностном слое происходят структурные преоб­разования и на границах зерен появляются карбиды, образуются зоны закалки или отпуска, возникают положительные или отрицательные остаточные напряжения. Их уровень может достигать и даже превышать напряжения предела текучести материала заготовки. Глубина поверхностных слоев с резко выраженными изменениям; при черновом шлифовании составляет 10 30 мкм, а при чистовом и тонком шлифовании до 5 мкм остаточные напряжения распространяются на глубину 50 150 мкм.

Для процесса шлифования характерна высокая температура, воз­никающая в тонком поверхностном слое, и распространение тепла в условиях нестационарного температурного поля. При этом возможно возникновение структурных неоднородностей и появление вследствие этого мелких трещин. У закаленных деталей возможно образование в самом верхнем слоем зоны вторичной закалки, а под ней — зоны вторичного отпуска с относительно низкой твердостью.

В поверхностном слое при шлифовании возникают остаточные на­пряжения растяжения, их величина нередко достигает и даже превы­шает предел текучести материала обрабатываемой детали. В образо­вании этих напряжений главную роль играют тепловые процессы. Механизм образования напряжений заключается в следующем. В мо­мент контакта шлифовального круга с данной точкой детали поверх­ностный слой сильно нагревается и стремится расшириться. Расши­рению препятствуют лежащие ниже более холодные слои материала. В результате поверхностный слой оказывается пластически сжатым. После охлаждения детали в поверхностном слое из-за его стремления сжаться возникают напряжения растяжения. Основной фактор, влия­ющий на величину этих напряжений, — глубина шлифования. Умень­шение величины остаточных напряжений в поверхностном слое дости­гается снижением интенсивности теплообразования, т. е. путем уве­личения скорости детали, уменьшения глубины резания, применения более мягких кругов и обильного охлаждения.

Остаточные напряжения растяжения в поверхностном слое шли­фованной закаленной детали могут быть уменьшены в 2—3 раза в ре­зультате выдержки детали в течение 90 сек в растворе солей с темпе­ратурой 260—315° С и последующим охлаждением в воде или масле. При повышении температуры нагрева до 340° С, что ведет к снижению твердости стали на 2 3 единицы HRC (с первоначальной твердости 60 HRC), остаточные напряжения уменьшаются в 5 раз.

Снять остаточные напряжения после предварительного шлифова­ния можно отжигом детали, а после ее окончательной обработки — виброконтактным полированием. Последнему методу свойственно об­разование на поверхности сжимающих напряжений. Величину оста­точных напряжений можно уменьшить также, применяя рациональ­ную схему закрепления детали в приспособлении, при которой воз­можна деформация детали в главных направлениях. Регулирование остаточных напряжений в поверхностном слое представляет собой большой резерв повышения эксплуатационных свойств деталей машин.

При электроимпульсной обработке происходит изменение струк­туры основного металла; измененная структура отличается большей или меньшей неоднородностью. С увеличением силы тока толщина слоя возрастает. С увеличением частоты импульсов толщина уменьшается. У закаленных деталей в поверхностном слое наблюдается слой вторич­ной закалки, отпущенный слой и слой исходного мартенсита. У не­закаленных деталей наблюдается слой закалки и слой исходной мик­роструктуры. При большой силе тока и малой частоте импульсов в поверхностном слое возникают трещины.

При обработке в электролите (электрохимическая обработка и другие методы) поверхностный слой насыщается водородом, что может привести к хрупкой поломке деталей. Для устранения этого недостат­ка, а также для уменьшения остаточных напряжений, образующихся в поверхностном слое при изготовлении ответственных деталей (тур­бинные лопатки), нередко применяют дополнительное (механическое) полирование. Это повышает усталостную прочность деталей.

.§ 19. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ

Оценку шероховатости поверхностей производят при контроле и приемке деталей, а также при выполнении исследований в лабора­торных условиях. Применяемые методы оценки можно разделить на прямые и косвенные. Для прямой оценки шероховатости применяют щуповые (профилометры и профилографы) и оптические (двойной и интерференционный микроскопы) приборы. Для косвенной оценки используют эталоны шероховатости и интегральные методы.

Профилометры выпускают стационарного и переносного типов; они позволяют измерять шероховатость в пределах 5—12-го классов. Действие профилометра основано на ощупывании поверхности алмазной иглой, движущейся по ней по заданной траектории. Возни­кающие при этом механические колебания иглы вызывают в электри­ческой системе прибора соответствующую э. д. с. Наиболее распрост­ранены индукционные профнлометры (КВ-7М, ПЧ-3 завода «Калибр», приборы Филлнпс, Тейлор-Гобсон, Браш). На шкале профилометра оценка шероховатости дается по R_a или H_ск (среднее квадратичное отклонение высоты микронеровностей от средней линии профиля).

Профилографы применяют для записи микропрофиля по­верхности 3-14-го классов в виде профилограмм. При последующей обработке снятой профилограммы могут быть получены значения R_a и R_z для данной поверхности. Профилограммы предназначены для ла­бораторных исследований и не пригодны для цехового контроля де­талей. В оптико-механических профилографах запись профилограммы производится световым лучом на фотопленке или пером самопищущего устройства на бумажной ленте. Вертикальное увеличение 'при снятии профилограмм дается значительно больше, чем горизонтальное.

При измерении шероховатости поверхностей щуповыми приборами деталей из мягких материалов наблюдается царапанье поверхности деталей, несмотря на весьма малое давление на иглу. Радиус закругле­ния иглы (10—12 мкм) не позволяет ей проникнуть в узкие и глубокие впадины и отразить их на профилограмме или в числовой оценке высоты шероховатостей.

Двойной микроскоп МИС-11 конструкции акад. В. П. Линийка предназначен для измерения шероховатости поверхностей в пределах З-9-го классов. В этом приборе микронеровности освещают световой полосой, направленной под некоторым углом к кон­тролируемой поверхности. Микронеровности измеряют с помощью окулярного микрометра или фотографируют. Сменными объективами достигают увеличения до 517 раз. На приборе определяют шерохова­тость поверхности по показателю R_z. Недостаток метода — необходи­мость измерений и подсчетов результатов измерений. Метод приме­няют при лабораторных исследованиях и выборочном контроле.

На рис. 53 показаны профилограммы, снятые на двойном микро­скопе (а) и на профилографе ИЗП-17 (б).

Микроинтерферометры используют для измерения шероховатости поверхностей в пределах 10—14-го классов по показа­телю R_z. В поле зрения прибора наблюдаются искривленные интерференционные полосы соответственно профилю микронеровностей на рассматриваемом участке поверхности. Высота этих искривлений из­меряется окулярным микрометром при увеличении в 490 раз. Фото­графирование производят при увеличении в 290 раз. Незначительная величина поля зрения прибора при фотографировании ограничивает его применение 13-14-м классами по базовой длине. Метод применяют при лабораторных исследованиях и производственном контроле пре­цизионных деталей.

Метод сравнения поверхности контролируемой детали с аттестованными эталонами шероховатости поверхности является наиболее простым и быстрым способом контроля производственных деталей в цеховых условиях. Эталоны должны быть изготовлены из тех же материалов, что и контролируемые детали, так как отражатель; пая способность материала (стали, чугуна, цветных сплавов и др.) оказывает существенное влияние на глазомерную оценку шероховато­сти поверхности. Механическая обработка эталонов должна произво­диться теми же методами, которыми обрабатываются контролируемые детали.

Визуальная оценка по эталонам субъективна, особенно для тонкообработанных поверхностей. Для поверхностей 8-го класса и выше рекомендуется пользоваться переносным или стационарным сравнительным микроскопом, в котором изображения контролируемой поверхности и эталона совмещены в поле одного и того же окуляра, разделенном на две равные части, и увеличены в 10—50 раз.

Интегральные методы дают косвенную, оценку шерохо­ватости не по определенной траектории, а по площади выбранного участка поверхности. Данный метод используется в пневматических приборах для оценки чистоты 3-9-го классов. Шероховатость поверх­ностей оценивают косвенно по расходу воздуха, проходящего через щели, образуемые впадинами микропрофиля и торцовой поверхностью сопла пневматической измерительной головки, опирающейся на ис­следуемую поверхность. Метод удобен для контроля шероховатости поверхности определенных дета­лей в массовом производстве. Настройку прибора производят по эталонным деталям.

Шероховатость поверхности может быть косвенно оценена на определенной площади методом измерения электрической ем­кости между деталью и метал­лической пластинкой, разделен­ными диэлектриком; по износу графитовой палочки, прижимаемой к контролируемой поверхности с определенной силой; по коли­честву отраженного света, падающего на деталь, и другими методами.

Измерение волнистости поверхностей возмож­но на профилографах на большой трассе исследования и применении ощупывающих игл с большим радиусом округления острия.

Измерение погрешностей формы и волнистости по окружности про­изводят на приборах завода «Калибр» и фирмы Тейлор-Гобсон «Телиронд». Запись производится в полярных координатах при увеличе­нии в 50- 10 000 раз (рис. 53, в).

Для определения глубины и общей характеристики поверхностных слоев необработанных заготовок, а также после предварительной и чистовой механической обработки пользуются обычным методом ис­следования микрошлифов. Микротвердость поверхностных слоев ис­следуют методом вдавливания алмазной пирамиды на приборе ПМТ-3. Наиболее удобно исследовать глубину поверхностного слоя и изме­нение его микротвердости по мере удаления от поверхности на образ­цах с микрошлифом , выполненном в виде косого среза под угом = 0°30' – 2 (рис. 54). Глубина наклепанного слоя

Косой срез получают притиркой, используя пасту ГОИ; это умень­шает до минимума возможные изменения поверхностного слоя. Из­готовленный образец устанавливают на приборе так, чтобы исследуе­мая поверхность расположилась горизонтально. Затем алмазной пи­рамидкой при нагрузке 50—100 Г наносят отпечатки, измеряют их диагонали и определяют по таблицам числа твердости; наклепанный слой кончается там, где числа микротвердости для соседних отпечат­ков оказываются одинаковыми.

Для исследования изменений поверхностного слоя после тонкой обработки применяют рентгеноструктурньй анализ. Остаточные напря­жения в поверхностном слое металла при этом определяют, стравливая с поверхности образца слои толщиной 5-10 мкм, и после каждого отравления снимают рентгенограмму. Этот метод длителен и тру­доемок; на снятие и обработку одной рентгенограммы требуется око­ло 10 ч.

Изменения в слоях металла толщиной менее 3-1О мкм не улавли­ваются рентгеноанализом. В этих случаях исследование поверхност­ного слоя может быть произведено методом структурной электронографии, основанным на диффракции электронов, позволяющей исследовать строение тончайшего поверхностного слоя различных материалов.

Микротрещины в поверхностном слое определяют различными .ме­тодами дефектоскопии (магнитной суспензии, магнитной индукции, ультразвуком, флюоресценции).

Изучение остаточных напряжений в поверхностных слоях после предварительной и чистовой обработки выполняют, используя методы Н. Н. Давиденкова или Г. Закса. Эти напряжения определяют расче­том по величине деформации образца после снятия с него химическим или электромеханическим способом напряженного слоя. Для тонких слоев применим также рентгеновский метод, основанный на измерении межатомных расстояний в напряженном и ненапряженном металле.