Шероховатость поверхности
Под шероховатостью поверхности понимают совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенную с помощью базовой длины. Базовую длину стандарт определяет как длину базовой линии, используемой для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности. Базовая линия имеет идеальную геометрическую форму, соответствующую номинальному профилю рассматриваемой поверхности, и может быть отрезком прямой, дугой окружности, или отрезком профиля иной правильной формы. Базовая линия определяется на основании сечения номинальной поверхности плоскостью, в которой рассматривают совокупность неровностей поверхности.
Шероховатость поверхности описывают характеристиками и параметрами микронеровностей профиля, получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью, направленной по нормали к ней. В случае, когда к реальной поверхности может быть проведено множество нормальных секущих плоскостей, выбирают сечение, имеющее максимальные параметры шероховатости, если направление измерения шероховатости не оговорено специально. Так к номинально плоской поверхности секущие плоскости могут быть проведены в любом нормальном направлении, а к номинально цилиндрической – либо через ось, либо перпендикулярно к ней.
Параметры шероховатости номинально прямолинейного профиля оценивают с использованием системы координат, одной из осей которой является средняя линия профиля m (рис. 3.79).
Рис. 3.79. Профиль поверхности (к определению параметров шероховатости)
Средней линией профиля m называется базовая линия, имеющая форму номинального профиля поверхности и делящая действительный профиль так, что в пределах базовой длины сумма квадратов расстояний y1...yn точек профиля до этой линии минимальна. На профилограмме, представляющей реальный профиль, средняя линия профиля проходит таким образом, что площади между контуром профиля и линией m, расположенные выше и ниже средней линии в пределах длины l, равны между собой.
Числовые значения базовой длины l по ГОСТ 2789-73 выбирают из ряда значений, в миллиметрах 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,80; 2,5; 8; 25. Выбор базовой длины приходится увязывать со значениями параметров шероховатости оцениваемого профиля. Недостаточная длина не обеспечит представительности оценки параметров, а слишком большая – приведет к искажению оценки параметров из-за влияния макрогеометрии.
Характеристики и параметры шероховатости поверхностей устанавливает стандарт ГОСТ 2789-73, требования которого распространяются на поверхности изделий независимо от их материала и способа изготовления (исключение составляют ворсистые, пористые и аналогичные поверхности). При определении параметров шероховатости местные дефекты поверхности (раковины, трещины, вмятины, царапины и т.д.) из рассмотрения исключаются.
Для количественной оценки шероховатости стандарт устанавливает шесть параметров: три высотных (Ra, Rz, Rmax), два шаговых (Sm, S) и параметр tр, характеризующий относительную опорную длину профиля.
Наибольшая высота неровностей профиля (Rmax) определяется расстоянием между линией выступов профиля и линией его впадин в пределах базовой длины:
Rmax = yрmax + yvmax,
где yрmax – высота наибольшего выступа профиля;
yvmax – глубина наибольшей впадины профиля.
Линия выступов профиля – линия, эквидистантная его средней линии, проходящая через высшую точку профиля в пределах базовой длины. Линия впадин профиля строится аналогично, но проходит через самую низко расположенную точку профиля.
Поскольку на выбранной базовой длине может оказаться недостаточно представительная впадина (или выступ) профиля, более информативный параметр, характеризующий высоту, неровностей профиля можно получить усреднением нескольких высот.
Высоту неровностей профиля по десяти точкам (Rz) определяют как среднее арифметическое суммы абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля (от средней линии) в пределах базовой длины.
,
где Hi min и Hi max– соответственно высота i-того выступа и глубина i-той впадины профиля на базовой длине (по десяти наиболее удаленным точкам профиля)
или
,
где yрmi – высота i-того наибольшего по высоте выступа и последующих выступов профиля;
yvmi – глубина i-той наибольшей по глубине впадины и последующих впадин профиля.
Числовые значения Rz и Rmax по ГОСТ 2789-73 приведены в таблице 13. Жирным шрифтом выделены предпочтительные значения.
Таблица 13
Значения Rzи Rmax, мкм
| – – – – – – – – | 25.0 20.0 16.0 12.5 | 10.0 8.0 6.3 5.0 4.0 3.2 2.5 2.0 1.6 1.25 | 1.00 0.80 0.63 0.50 0.40 0.32 0.25 0.20 0.16 0.125 | 0.100 0.080 0.063 0.050 0.040 0.032 0.025 – – – |
Среднее арифметическое отклонение профиля (Ra) определяется как среднее арифметическое значение всех абсолютных отклонений профиля в пределах базовой длины (реально число отклонений профиля приходится ограничивать некоторым значением n):
,
где l – базовая длина, на которой оценивается значение параметров шероховатости;
n – число выбранных точек профиля на базовой длине.
или, более строго,
где l – базовая длина, на которой оценивается значение параметров шероховатости.
Числовые значения Ra по ГОСТ 2789-73 приведены в таблице 14. Жирным шрифтом выделены предпочтительные значения.
Числовые значения Ra, Rz и Rmax в таблицах ГОСТ 2789-73 представлены в микрометрах. В этих же единицах высотные параметры нормируются на чертежах.
Таблица 14
Значения среднего арифметического отклонения профиля
| Значения Ra, мкм | ||||
| 16.0 12.5 | 10.0 8.0 6.3 5.0 4.0 3.2 2.5 2.0 1.6 1.25 | 1.00 0.80 0.63 0.50 0.40 0.32 0.25 0.20 0.16 0.125 | 0.100 0.080 0.063 0.050 0.040 0.032 0.025 0.020 0.016 0.012 | 0.010 0.008 – – – – – – – – |
Средний шаг неровностей профиля (Sm) определяется как среднее значение шагов неровностей профиля (по средней линии) в пределах базовой длины:
,
где Smi – i-тый шаг неровностей – отрезок средней линии профиля, который отсекают два одноименных (левых или правых) участка профиля;
n – число шагов профиля на базовой длине.
Средний шаг местных выступов профиля (S), определяется как среднее значение шагов между местными выступами профиля в пределах базовой длины,
,
где Si – i-тый шаг местных выступов профиля – отрезок средней линии между проекциями на нее наивысших точек соседних местных выступов профиля;
n – число шагов местных выступов профиля на базовой длине.
Относительная опорная длина профиля (tр) представляет собой отношение опорной длины профиля к базовой длине:
,
где Σbi – опорная длина профиля – суммарная длина отрезков профиля, отсекаемых в материале на базовой длине линией, эквидистантной средней линии m. Если условно «отбросить» отсекаемый материал, то ответная деталь с идеальным профилем в пределах базовой длины будет опираться на оставшиеся отрезкиbi;
bi – длина i-того отрезка, отсекаемого на заданном уровне сечения профиля рв материале профиля линией, эквидистантной средней линии m;
р – уровень сечения профиля – расстояние от линии выступов до линии, пересекающей профиль эквидистантно средней линии профиля.
Уровень сечения профиля р выражается в процентах от Rmax и выбирается из ряда (в процентах от Rmax): 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90.
Относительная опорная длина профиля tр задается в процентах от базовой длины lи выбирается из ряда: 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90.
Как было сказано выше, саму базовую длину выбирают, увязывая ее со значениями параметров шероховатости оцениваемого профиля. ГОСТ 2789-73 рекомендует соотношения базовой длины lи высотных параметров Ra, Rz, Rmax (таблица 15), которые разработаны на основе анализа их взаимосвязи для традиционных технологических процессов получения (обработки) поверхностей.
Таблица 15
Соотношения базовой длины lи высотных параметров Ra, Rz, Rmax
| Диапазон Ra, мкм | Диапазон Rz, Rmax, мкм | Базовая длина l, мм |
| До 0,025 Св. 0,025 до 0,4 Св. 0,4 до 3,2 Св. 3,2 до 12,5 Св. 12,5 до 100 | До 0,10 Св. 0,10 до 1,6 Св. 1,6 до 12,5 Св. 12,5 до 50 Св. 50 до 400 | 0,08 0,25 0,8 2,5 |
В дополнение к количественным параметрам шероховатости стандарт допускает нормирование качественной характеристики – направления неровностей. Типы направления неровностей, их схематические изображения и условные знаки для обозначения направления неровностей представлены в таблице 16.
Направление неровностей в ряде случаев имеет большое значение. Как наиболее яркий пример можно представить работу металлической и пластмассовой поверхностей в сопряжении с трением скольжения. Специально проведенные исследования показали, что изменение направления неровностей металлической поверхности меняет износостойкость сопряжения примерно в 5 – 10 раз. Сопряжения металлических поверхностей не дают столь ярко выраженного эффекта, но благоприятные направления неровностей позволяют существенно снизить силы трения и повысить долговечность деталей.
Таблица 16
Типы направлений неровностей и их обозначения
| Тип направления неровностей | Схематическое изображение | Обозначение направления неровностей | Направление следов обработки по отношению к линии, отображающей на чертеже поверхность |
| Параллельное | 
| 
| Следы параллельны линии, на которую указывает знак |
| Перпендикулярное | 
| 
| Следы перпендикулярны линии, на которую указывает знак |
| Перекрещивающееся | 
| 
| Следы перекрещиваются под наклоном к линии, на которую указывает знак |
| Произвольное | 
| M | Следы хаотичные, без определенного направления |
| Кругообразное | 
| C | Следы примерно кругообразные по отношению к центру поверхности |
| Радиальное | 
| R | Следы идут примерно по радиусу к центру поверхности |
| Точечное | 
| P | Следы в виде отдельных точек |
Параметры для нормирования шероховатости следует выбирать с учетом назначения поверхности и требуемых эксплуатационных свойств (таблица 17).
Таблица 17
Эксплуатационные свойства поверхности и обеспечивающая
их номенклатура параметров и характеристик шероховатости
| Эксплуатационное свойство поверхности | Параметры шероховатости и характеристики, определяющие эксплуатационное свойство |
| Износоустойчивость при всех видах трения | Ra, (Rz), tр, направление неровностей |
| Виброустойчивость | Ra, (Rz), Sm, S, направление неровностей |
| Контактная жесткость | Ra, (Rz), tр |
| Прочность соединения | Ra, (Rz) |
| Прочность конструкций при циклических нагрузках | Rmax, Sm, S, направление неровностей |
| Герметичность соединений | Ra, (Rz), Rmax, tр |
| Сопротивление в волноводах | Ra, Sm, S |
Требования к шероховатости поверхности устанавливают путем выбора нормируемых параметров шероховатости (одного или нескольких), назначения числовых значений выбранных параметров, а при необходимости и базовых длин, на которых происходит определение этих параметров. Как правило, из однотипных параметров (высотных и шаговых) назначают по одному, например, Ra илиRz(вместо Rz изредка назначают Rmax); SилиSm, причем для ответственных поверхностей могут быть назначены параметры всех трех типов и направление неровностей профиля.
Из высотных параметров шероховатости наиболее информативен параметр Ra, который и определен стандартом как предпочтительный. Обычно конструкторы ограничиваются нормированием высотных параметров, хотя остальные стандартные параметры могут оказаться очень важными с позиций обеспечения функционирования сопряжения и изделия в целом и во многом определять свойства поверхностностей в сопряжениях, а также конкурентоспособность изделий. Следует отметить, что кроме физико-механических свойств поверхностного слоя весьма важную роль играет микрогеометрия сопрягаемых поверхностей.
Параметры Rmax, S, Sm, tр нормируют в случаях, когда по функциональным требованиям необходимо ограничить полную высоту неровностей профиля, шаг неровностей и их форму.
Параметр Rz нормируют вместо параметра Rmax как более представительный, или иногда вместо параметра Ra – когда прямой контроль параметра Ra по техническим причинам не представляется возможным (например, для поверхностей, имеющих малые размеры или сложную конфигурацию).
При назначении требований к шероховатости следует учитывать необходимость согласования высотных параметров шероховатости с допусками размеров и формы поверхностей. Связь между высотными параметрами шероховатости и допусками макрогеометрии формально отсутствует, поскольку в ГОСТ 24642 – 81 сказано, что шероховатость не входит в погрешности формы.
Однако при высотных параметрах шероховатости, соизмеримых с отклонениями формы, их необходимо принимать в расчет. Поскольку расстояния между впадинами и выступами микрорельефа в некоторых случаях оказываются большими, чем значения допусков формы, теоретически годные по макрогеометрии детали могут быть забракованы, например, при контроле отклонений формы. Для повышения определенности принимаемых решений следует ограничить высотные параметры шероховатости, увязав их с наименьшим допусками макрогеометрии поверхностей.
Для повышения определенности принимаемых решений следует ограничить высотные параметры шероховатости, увязав их с наименьшим допусками макрогеометрии поверхностей.
Назначая параметры шероховатости поверхностей, следует учитывать возможность их обеспечения при использовании рациональных методов обработки деталей. Примеры связи точности обработки поверхностей деталей резанием и получаемых при этом высотных параметров шероховатости поверхности приведены в таблице 18.
Таблица 18
Значения высотных параметров шероховатости поверхностей
(Ra) и точность размеров (квалитеты) при различных видах
обработки деталей резанием
| Вид обработки | Значение параметра Ra, мкм | Квалитеты | |||
| экономические | достижимые | ||||
| Автоматическая газовая резка | 12,5...100 | 15...17 | - | ||
| Отрезка | приводной пилой | 25...50 (12,5) | 15...17 | - | |
| резцом | 25...100 | 14...17 | - | ||
| фрезой | 25...50 | 14...17 | - | ||
| абразивом | 3,2...6,3 | 12...15 | - | ||
| Подрезка торцов | 3,2…12,5 (0,8) | 11...13 | 8, 9 | ||
| Строгание | черновое | 12,5...25 | 12...14 | - | |
| чистовое | 3,2...6,3 | 11...13 (10) | - | ||
| тонкое | (0,8)...1,6 | 8...10 | |||
| Долбление | черновое | 25...50 | 14, 15 | - | |
| чистовое | 3,2...12,5 | 12, 13 | |||
| Фрезерование цилиндрической фрезой | черновое | 25...50 | 12...14 (11) | ||
| чистовое | 3,2...6,3 | 11 (10) | - | ||
| тонкое | 1,6 | 8, 9 | 6, 7 | ||
| Вид обработки | Значение параметра Ra, мкм | Квалитеты | |||
| экономические | достижимые | ||||
| Фрезерование торцевой фрезой | черновое | 6,3...12,5 | 12...14 (11) | ||
| чистовое | 3,2...6,3 (1,6) | ||||
| тонкое | (0,8)…1,6 | 8, 9 | 6, 7 | ||
| Фрезерование скоростное | черновое | 3,2 | 12...14 | ||
| чистовое | 0,8...1,6 | 11...13 | 8, 9 | ||
| Обтачивание продольной подачей | обдирочное | 25...100 | 15...17 | - | |
| получистовое | 6,3...12,5 | 12...14 | - | ||
| чистовое | 1,6…3.2 (0,8) | 7…9 | |||
| тонкое (алмазное) | 0,4...0,8 (0,2) | ||||
| Обтачивание поперечной подачей | обдирочное | 25...100 | 16, 17 | - | |
| получистовое | 0,3...12,5 | 14, 15 | - | ||
| чистовое | 3.2 | 11...13 | 8, 9 | ||
| тонкое | (0,8)...1,6 | 8...11 | |||
| Обтачивание скоростное | (0,4)...1,6 | 8,9 | |||
| Сверление | до 15 мм | 6,3...12,5 | 12...14 | 10, 11 | |
| свыше 15 мм | 12...14 | 10, 11 | |||
Продолжение табл. 18
| Рассверливание | 12,5…25 (6,3) | 12...14 | 10,11 | ||
| Зенкерование | черновое (по корке) | 12,5...25 | 12...15 | - | |
| чистовое | 3,2...6,3 | 10, 11 | 8,9 | ||
| Строгание | черновое | 50...100 | 15…17 | - | |
| получистовое | 12,5...25 | 12..14 | - | ||
| чистовое | 1,6...3,2 (0,8) | 8, 9 | |||
| тонкое (алмазное) | 0,4..0,8 (0,2) | ||||
| Скоростное растачивание | 0,4...1,6 | ||||
| Развертывание | получистовое | 6,3...12,5 | 9, 10 | ||
| чистовое | 1,6...3,2 | 7, 8 | |||
| тонкое | (0,4)...0,8 | ||||
| Протягивание | получистовое | 6,3 | 8, 9 | ||
| чистовое | 0,8...3,2 | 7, 8 | - | ||
| отделочное | 0,2...0,4 | ||||
| Зенкование плоское с направлением | 6,3...12,5 | - | - | ||
| Зенкование угловое | 3,2...6,3 | - | - | ||
| Шабрение | грубое | 1,6...6.3 | 8, 9 | ||
| тонкое | 0,1...0,8 | 8, 9 | 6, 7 | ||
| Слесарная опиловка | (1,6)...25 | 8...11 | 6,7 | ||
| Зачистка наждачным полотном (после резца и фрезы) | (0,2)...1 | 8...11 | 7,8 | ||
| Шлифование круглое | получистовое | 3,2...6.3 | 8...11 | - | |
| чистовое | 0,8...1,6 | 6...8 | |||
| тонкое | 0,2..0,4 (0,1) | Выше 5-го | |||
В таблице 19 представлены некоторые материалы, относящиеся к условным обозначениям шероховатости поверхности на чертежах.
Таблица 19
Условные обозначения шероховатости поверхности
| Характеристика | Условные обозначения | Расшифровка |
| Знак, применяемый для обозначения шероховатости на чертеже |
| Знак условного обозначения шероховатости поверхности с распределением информации по зонам: 1 – базовая длина, параметры шероховатости и их значения; 2 – вид обработки поверхности или другие дополнительные указания; 3 – обозначение направления неровностей (зоны 2 и 3 используют при необходимости) |
| Знак, соответствующий условию нормирования шероховатости, когда метод образования поверхности чертежом не регламентируется; применение этого знака предпочтительно |
Продолжение табл. 19
| Знак, применяемый для обозначения шероховатости на чертеже |
| Знак, соответствующий конструкторскому требованию, чтобы поверхность была образована полным удалением поверхностного слоя материала (например, точением, шлифованием, полированием и т.п., конкретный вид обработки может не указываться). Следы необработанной поверхности («черновины») не допускаются | ||
| Знак, соответствующий конструкторскому требованию, чтобы поверхность была образована без удаления поверхностного слоя материала (например, литьем, штамповкой, прессованием; конкретный вид образования поверхности может не указываться). Следы зачистки поверхности не допускаются | |||
| Структура ранее применявшегося обозначения шероховатости поверхностей | 
| ЗОНЫ ДЛЯ УКАЗАНИЯ 1 – параметров шероховатости 2 – вида (видов) обработки 3 – базовой длины 4 – направления неровностей | ||
| Единицы числовых значений параметров шероховатости в условном обозначении |
| Значения параметров  ,  и  указывают в микрометрах, параметров  и  – в миллиметрах, параметров  – в процентах от  , уровня сечения  для параметра -– в процентах от
| ||
| Способ нормирования числовых значений параметров шероховатости |
| Указано числовое значение параметра, соответствующее наиболее грубой допускаемой шероховатости, т.е. наибольшему предельному значению для параметров , , , , и наименьшему предельному значению параметра
| ||
| Указаны числовые значения, соответствующие наибольшему и наименьшему предельным значениям нормируемого параметра. Значение, указываемое сверху, относится к более грубой допускаемой шероховатости | |||
| Указано номинальное значение параметра с предельными отклонениями от него (в процентах от номинального значения). Предельные отклонения выбираются из ряда 10, 20, 40 и могут быть односторонними (в плюс или минус) или симметричными (±) | |||
Продолжение табл. 19