Шероховатость и волнистость поверхности
Шероховатость поверхности – совокупность неровностей с относительно малыми шагами на базовой длине.
Волнистость поверхности – совокупность периодически чередующихся неровностей, у которых расстояние между смежными возвышенностями или впадинами превышает базовую длину (рис. 3).
Рис. 3. Схема, иллюстрирующая шероховатость и волнистость
поверхности
Шероховатость и волнистость взаимосвязаны с точностью размеров детали. Разграничением понятий шероховатости и волнистости является отношение шага к высоте неровностей:
для шероховатости L/H < 50;
для волнистости L/H = 50…1000.
Шероховатость поверхности бывает продольная, измеряемая в направлении вектора скорости резания, и поперечная, измеряемая в направлении подачи.
Согласно ГОСТ 2789-73 (СТ СЭВ 638-77), нормирование и количественная оценка шероховатости поверхности производятся с помощью трех высотных параметров Rа, Rz и Rmax, двух шаговых параметров Sm и S и параметра tР - относительной опорной длины профиля (рис. 4).
Среднее арифметическое отклонение профиля Ra - среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины
,
где n – число выбранных точек профиля на базовой длине.
Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz - сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины
.
Рис. 4. Профилограмма поверхности для определения шероховатости
Наибольшая высота неровностей профиля Rmax - расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины
.
Средний шаг неровностей Sm - среднее значение шагов неровностей профиля в пределах базовой длины
,
где n - число шагов неровностей в пределах базовой длины; Smi - шаг неровностей профиля, равный длине отрезка средней линии профиля, ограничивающей неровность профиля.
Средний шаг местных выступов профиля S – среднее значение шагов местных выступов профиля, находящихся в пределах базовой длины:
.
Относительная опорная длина профиля tР - отношение опорной длины профиля к базовой длине
,
где 
- опорная длина профиля; l – базовая длина.
Опорная длина профиля – сумма длин отрезков, отсекаемых на заданном уровне р, в материале профиля линией, параллельной средней линии, в пределах базовой длины.
Числовые значения уровня сечения р указываются в % от Rmax.
Диапазоны колебаний параметров:
l - от 0,01 до 25 мм; Ra - от 0,008 до 100 мкм; Rz и Rmax - от 0,25 до 1600 мкм; Sm и S – от 0,002 до 12,5 мкм, tР - от 10 до 90%.
Параметр Ra является предпочтительным, так как при определении параметра Rz в зависимости от формы профиля в некоторых случаях возникают проблемы в связи с тем, что имеется меньше пяти выступов или впадин профиля на базовой длине. Кроме того, параметр Rа более точно определяет шероховатость, так как является интегральным. Шероховатость поверхности чаще всего оценивают параметром Rа.
Величины Sm и tР характеризуют форму микронеровностей и предопределяют износостойкость и контактную деформацию сопряженных деталей. При выборе значений tР следует учитывать, что с его возрастанием требуются все более трудоемкие процессы обработки; например, при tР = 25 % можно применить чистовое точение, а при tР = 40 % необходимо хонингование.
Существует корреляционная связь высотных параметров шероховатости Ra, Rz, Rmax. Для плосковершинной и отделочно-упрочняющей обработки в среднем
Rmax = 5,0 Ra, Rz= 4,0 Ra;
для точения, строгания и фрезерования
Rmax = 6,0 Ra, Rz = 5,0 Ra;
для остальных методов обработки
Rmax = 7,0 Ra, Rz = 5,5 Ra.
Основной смысл введения шести параметров для оценки шероховатости поверхности состоит в том, что с их помощью можно регулировать шероховатость в зависимости от служебного назначения и условий эксплуатации деталей (изнашивание, контактная жесткость, выносливость и др.).
Шероховатость поверхности на чертежах указывает с помощью условных обозначений (рис. 5, а). На месте рамки 1 в определенной последовательности указывают параметры шероховатости (пример с цифровыми обозначениями показан на рис. 5, б), на месте рамки 2 в случае необходимости – вид обработки и другие дополнительные данные, на месте рамки 3 – базовую длину, взятую из стандарта, а на месте рамки 4 – условное обозначение направления штрихов обработки. Обозначение t5080 (рис. 5, б) расшифровывается как относительная опорная длина 80 % при уровне сечения профиля р = 50 %.
Между квалитетами точности обработки и шероховатостью обработанных поверхностей деталей существует взаимосвязь. Высокой точности обработки всегда отвечает малая шероховатость поверхности. Это соответствие обусловлено не только условиями работы детали, но и также необходимостью результатов измерения показателей ее точности. Высота неровности Ra не должна превышать 0,02…0,05 допуска на размер. Точность и шероховатость, полученные на разных операциях, приведены в табл. 1.
Рис. 5. Структура обозначения шероховатости поверхности (а) и
пример расположения параметров шероховатости (б)
Контроль параметров шероховатости может осуществляться прямыми и косвенными методами. Для косвенной оценки используют эталоны шероховатости и интегральные методы. Оценка по эталонам имеет субъективный характер. Интегральные методы позволяют оценить шероховатость поверхности по расходу воздуха, проходящего между соплом пневматической измерительной головки и измеряемой поверхностью. При этом настройка приборов производится по поверхностям эталонных деталей. При прямом методе применяют щуповые или оптические приборы. Числовые значения параметров шероховатости определяются по шкале приборов (профилометров) или по увеличенному изображению записанной профилограммы (на профилографе). Основные характеристики приборов приведены в табл. 2.
Количественная оценка волнистости производится следующими параметрами: высотой волнистости hW, наибольшей высотой волнистости hWmax и средним шагом волнистости SW.
Высота волнистости hW - среднее арифметическое из пяти ее значений (hW1…hW5), определенных на длине участка измерения LW, равной не менее пяти действительным наибольшим шагам Sw волнистости, как вертикальные расстояния между линиями, эквидистантными средней линии, которые проведены по наивысшим и наинизшим точкам профиля одной полной волны (рис. 6)
.
Таблица 1
Экономически целесообразные точность и шероховатость
поверхности при различных видах обработки
| Вид обработки | Квалитеты точности обработки | Шероховатость поверхности Ra, мкм |
| Обтачивание: черновое получистовое чистовое тонкое | 14…12 13…11 10…8 8…6 | 50…25 25…12,5 12,5…6,3 1,25…0,63 |
| Растачивание: черновое чистовое тонкое | 13…11 10…8 8…6 | 25…12,5 12,5…6,3 1,25…0,63 |
| Фрезерование: черновое чистовое | 13…11 10…8 | 25…12,5 6,3…1,25 |
| Сверление | 13…11 | 25…12,5 |
| Зенкерование | 11…10 | 25…6,3 |
| Развертывание: черновое чистовое | 10…8 8…7 | 3,2…1,6 1,25…0,63 |
| Протягивание: черновое чистовое | 11…10 9…7 | 3,2…1,6 1,25…0,63 |
| Шлифование: черновое чистовое | 10…8 8…6 | 2,5…1,25 1,25…0,63 |
| Хонингование: черновое чистовое | 9…7 7…6 | 2,5…0,63 0,63…0,08 |
| Суперфиниширование | 6…5 | 0,63…0,16 |
| Притирка | 7…5 | 0,63…0,04 |
| Полирование | 7…5 | 0,63…0,02 |
| Обкатывание, алмазное выглаживание | 9…6 | 1,25…0,16 |
Таблица 2
Приборы для измерения параметров шероховатости поверхности
| Тип прибора | Измеряемый параметр шероховатости поверхности | Предел измерения, мкм | Базовая длина, мм |
| Профилограф-профилометр: профилограф профилометр | Ra Pz; Rmax Si; Sm lP Ra | 0,008…20 0,025…100 0,003…12,5 10…90 % 0,02…8 | 0,080; 0,250 0,800; 2500 8,000 |
| Профилометр 253 | Ra | 0,04…2,500 | 0,250; 0,800; 2,500 |
| Профилограф-профилометр 252: профилограф профилометр | Ra Rz; Rmax Si; Sm lP Ra | 0,050…60 0,020…250 0,003…12,5 10…90 % 0,020…100 | 0,080; 0,250 0,80; 2,50 8,00 0,080; 0,250 |
| Прибор светового свечения: ПСС-2 ОРИМ-1 ПТС-1 | Rz; Rmax Si; Sm Rz; Rmax Si; Sm Rz; Rmax Si; Sm | 0,800…40 0,002…2,500 0,400…40 0,020…2,500 40…320 0,020…6,300 | 0,001 0,030 0,080; 0,250 0,800; 2,500 0,250; 0,080 2,500; 8,000 |
| Микроинтерферометр МИИ-4 | Rz; Rmax Si; Sm | 0,100…0,800 0,020…0,250 | 0,010; 0,030 0,080; 0,250 |
Предельные числовые значения hW выбирают из ряда: 0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25, 50; 100; 200 мкм.
Наибольшая высота волнистости hWmax - расстояние между наивысшей и наинизшей точками измеренного профиля в пределах Lw, измеренное на одной полной волне.
Средний шаг волнистости SW- среднее арифметическое значение длин отрезков SWi средней линии, ограниченных точками их пересечения с соседними участками профиля волнистости
.
Базой для измерения волнистости служит средняя линия профиля волнистости mW.
В табл. 3 приведены параметры волнистости для различных видов механической обработки.
Рис. 6. Профилограмма поверхности для определения
волнистости
Таблица 3
Параметры волнистости при некоторых видах
механической обработки
| Вид механической обработки | Высота волны, мкм | Шаг волны, мм |
| Плоское шлифование | 1,1…3,8 | 1,1…4,8 |
| Строгание | 1,0…2,5 | 1,3…4,0 |
| Точение | 1,0…10,7 | 1,4…9,0 |
| Скоростное фрезерование | 1,4…6,0 | 1,6…5,2 |
| Притирка | 0,75…2,0 | 0,8…4,0 |
Волнистость оказывает большое влияние на качественные показатели изделий. Поэтому вопросы нормирования и контроля волнистости имеют важное практическое значение.