Шероховатость поверхности, параметры шероховатости Ra, Rz, Rmax

Понятие качества поверхности металла после обработки

После обработки на фрезерном станке, как и после других работ с заготовкой, на ее поверхности образуются неровности – гребешки и впадины (иначе говоря, шероховатости и волнистости). В верхних слоях материала также появляется остаточное напряжение, на некоторых глубинах проката возникает разность твердости, которая проявляется как упрочнение или наклеп. Такие изменения влияют на свойства готовых изделий и, следовательно, на качество их поверхностей. Все эти характеристики и определяют класс обработки металла.

Качество готовых деталей определяется как их физическими, так и геометрическими показателями.

• Физические критерии качества.

Качество поверхности изделия определяется соотношением физических и механических свойств его центральной части с наружной.

Во время обработки металлических заготовок их поверхность подвержена пластическим изменениям, поэтому и прочие характеристики материала в готовом изделии отличаются от первоначальных. Внешняя часть пластины при этом упрочняется, в ней появляются внутренние напряжения.

После финального этапа обработки металла на фрезерной установке упрочненный слой распространяется всего на несколько сотых миллиметра, тогда как после первичного воздействия цилиндрической фрезой его толщина в среднем составляет 0,04–0,08 мм, достигая при этом и 0,12 мм. При воздействии торцевой фрезой параметр равняется 0,06–0,1 мм, хотя может быть и 0,2 мм. Возникающие внутренние напряжения и упрочнения поверхности понижают класс обработки металла за счет уменьшения усталостной прочности изделия. Такие деформации сокращают эксплуатационный срок детали, что приводит к необходимости ее скорой замены.

При грубой черновой обработке зубчатой фрезой на больших оборотах и при повышенной глубине сечения на кромке изделия остаются неровности, которые заметны невооруженным глазом и легко определяются на ощупь. Шероховатости и волнистости, образующиеся при промежуточной и чистовой обработке на малых оборотах и при неглубокой резке, визуально незаметны и едва прощупываются.

Класс геометрической точности обработки металла зависит от наличия на поверхности изделия неровностей: впадин, гребешков, шероховатостей и пр. Подобные дефекты на малой площади поверхности называются ее микрогеометрией.

Микрогеометрия поверхности при обработке проката зависит от:

• геометрии фрезы, ее качества и степени износа;
• вибраций, возникающих из-за недостаточной жесткости станка или его рабочих элементов;
• установленных настроек работы фрезерной машины (скорости и глубины раскроя, подачи на зуб, охлаждения);
• механических свойств обрабатываемого листа и самой фрезы.

Шероховатость поверхностей при обработке инструментами

Классы шероховатости поверхности

Факторы, влияющие на качество поверхности

Шероховатость поверхности зависит от метода и режима обработки, качества применяемого режущего инструмента, жесткости техно­логической системы, физико-механических свойств обрабатывае­мого материала, вида применяемой смазывающе-охлаждающей жид­кости, вибраций технологической системы и др.

Каждому методу обработки (точение, шлифование и др.) соот­ветствует свой диапазон получаемой шероховатости поверхности. В табл. 3.1 приведена шероховатость поверхности при различных методах обработки стали и серого чугуна и сопоставлены параметры шероховатости с параметрами средней экономической точности. Из сопоставления этих параметров можно увидеть их взаимосвязь: чем выше точность получаемого размера, тем меньше шероховатость поверхности.

Далее, на стр. 7 см. табл. 3.1.

Таблица значений шероховатости

Примечание: * — предпочтительные значения параметров Ra

Примеры:

Обозначений шероховатости поверхности на чертежах

Таблица 3.1

* Обдирочное шлифование применяют в качестве предварительной обработки поверхностей отливок и поковок, не выдерживая допуска на размер.

** Этот метод не повышает точности размера, полученного на предшествующей обработке.

При обработке заготовок лезвийным инструментом шероховатость поверхности в значительной мере зависит от скорости резания и подачи. На рис. 3,5, а показано влияние скорости резания на шероховатость поверхности при точении стали (кривая 1) и чугуна (кривая 2). После обтачивания стальной заготовки со скоростью резания около 20 м/мин (кривая 1) наблюдается наибольшая шеро­ховатость, что связано с явлением активного образования нароста на режущей части резца. При скорости резания свыше 80 м/мин образование нароста практически прекращается. Кроме того, при высоких скоростях резания значительно уменьшается глубина пла­стически деформированного слоя, что также снижает шероховатость поверхности.

На рис. 3.5, б показана зависимость шероховатости поверх­ности от подачи при точении заготовки из стали 45 резцом с радиу­сом закругления вершины 2,5 мм. Из рисунка видно, что изменение малых подач (до 0,2 мм/об) незначительно влияет на изменение шероховатости поверхности. Но при переходе в область подач свыше 0,2 мм/об микронеровности обработанной поверхности воз­растают более интенсивно.

Рис. 3.5. Графики зависимостей шероховатости поверхности от скоростей резания и подач

С увеличением глубины резания шероховатость поверхности возрастает незначительно и практически ее можно не учитывать.

Значительное влияние па шероховатость поверхности оказывает состояние режущей части инструмента: микронеровности режущей кромки инструмента ухудшают шероховатость обработанной по­верхности; это особенно заметно при обработке протяжками, раз­вертками или широкими резцами. Затупление режущего инстру­мента приводит к увеличению шероховатости обработанной по­верхности.

При обработке заготовок абразивным инструментом шерохова­тость поверхности снижается с уменьшением зернистости и повы­шением твердости шлифовального круга, повышением скорости резания, уменьшением продольной и поперечной подач.

При обработке стали с высоким содержанием углерода (С > 0 5%) получается более чистая поверхность, чем при обработке низкоуглеродистой стали.

Применение смазывающе-охлаждающей жидкости улучшает ше­роховатость обработанной поверхности. Одновременно повышается стойкость инструмента. На рис. 3.6 показано (по данным К. С. Колева) влияние охлаждения на микрогеометрию поверхности при точении стали Х4Н быстрорежущим резцом при подаче S = 0,67 мм/об: 1 — точение без применения охлаждения; 2 — охла­ждение водной эмульсией (0,5 % соды и 0,1 % мыла).

Жесткость технологической системы значительно влияет на шероховатость и волнистость поверхности. Так, например, при точении нежесткого вала с установкой на центры наибольшая шеро­ховатость поверхности получается примерно в средней части по длине вала. Недостаточная жесткость системы может быть причи­ной появления вибрации при резании и, как следствие, образова­ния волнистой поверхности.

Рис. 3.6. Рис. 3.7.

Физико-механические свойства поверхностного слоя деталей и заготовок в значительной мере зависят от воздействия тепловых и силовых факторов в процессе обработки. Поверхностный слой обработанной стальной заготовки состоит из трех зон (рис. 3.7): I – зоны резко выраженной деформации, характеризуемой иска­жением кристаллической решетки, дроблением зерен и повышенной твердостью; II – зоны деформации, характеризуемой вытянутыми зернами и снижением твердости по сравнению с первой зоной; III — переходной зоны (зоны постепенного перехода к структуре основ­ного металла).

Исходные заготовки из стали, полученные ковкой, литьем или прокатом, имеют поверхностный слой, состоящий из обезуглероженной зоны и переходной зоны, т. е. зоны с частичным обезуглерожи­ванием. Например, заготовки, полученные горячей штамповкой, имеют обезуглероженный слой в пределах 150—300 мкм, а полу­ченные свободной ковкой — от 500 до 1000 мкм.

При обработке стальных заготовок резанием глубина деформации распространяется до 100—300 мкм. У чугунных заготовок глубина распространения деформации незначительна (до 15 мкм).

При механической обработке металлов деформация поверхност­ного слоя сопровождается упрочнением (наклепом) этого слоя. С увеличением глубины резания и подачи глубина наклепанного слоя возрастает. Так, например, при черновом точении глубина наклепа составляет 200—500 мкм, при чистовом точении 25—30 мкм, при шлифовании 15—20 мкм и при очень тонкой обработке 1—2 мкм.

Рис. 3.8. Рис. 3.9.

С увеличением скорости ре­зания глубина наклепа умень­шается. Это объясняется уменьшением продолжитель­ности воздействия сил реза­ния на деформируемый ме­талл. На рис. 3.8 показано (по данным К. С. Колева) влияние скорости резанияvпри точении стали ЗОХГС (кривая 1) и стали 20 (кри­вая 2) на наклеп Нd.

При шлифовании деталей доминирующим фактором яв­ляется тепловой, служащий причиной появления в поверх­ностном слое обрабатываемого металла растягивающих на­пряжений. На рис. 3.9 пока­зана схема распределения ос­таточных напряжений σ по­сле шлифования на глубину h поверхностного слоя (кри­вая 1). Появление растягива­ющих напряжений связано с быстрым нагреванием поверхностного слоя в зоне контакта металла детали с шлифовальным кругом. После прохождения шлифоваль­ного круга поверхностный слой, охлаждаясь, стремится сжаться, вызывая растягивающие напряжения. При шлифовании с выхажи­ванием (т. е. с последующим выключением продольной подачи) значительно уменьшаются напряжения растяжения и увеличи­ваются напряжения сжатия (кривая 2).

Классы шероховатости поверхности

Факторы, влияющие на качество поверхности

Шероховатость поверхности зависит от метода и режима обработки, качества применяемого режущего инструмента, жесткости техно­логической системы, физико-механических свойств обрабатывае­мого материала, вида применяемой смазывающе-охлаждающей жид­кости, вибраций технологической системы и др.

Каждому методу обработки (точение, шлифование и др.) соот­ветствует свой диапазон получаемой шероховатости поверхности. В табл. 3.1 приведена шероховатость поверхности при различных методах обработки стали и серого чугуна и сопоставлены параметры шероховатости с параметрами средней экономической точности. Из сопоставления этих параметров можно увидеть их взаимосвязь: чем выше точность получаемого размера, тем меньше шероховатость поверхности.

Далее, на стр. 7 см. табл. 3.1.

Таблица значений шероховатости

Примечание: * — предпочтительные значения параметров Ra

Примеры:

Обозначений шероховатости поверхности на чертежах

Таблица 3.1

* Обдирочное шлифование применяют в качестве предварительной обработки поверхностей отливок и поковок, не выдерживая допуска на размер.

** Этот метод не повышает точности размера, полученного на предшествующей обработке.

При обработке заготовок лезвийным инструментом шероховатость поверхности в значительной мере зависит от скорости резания и подачи. На рис. 3,5, а показано влияние скорости резания на шероховатость поверхности при точении стали (кривая 1) и чугуна (кривая 2). После обтачивания стальной заготовки со скоростью резания около 20 м/мин (кривая 1) наблюдается наибольшая шеро­ховатость, что связано с явлением активного образования нароста на режущей части резца. При скорости резания свыше 80 м/мин образование нароста практически прекращается. Кроме того, при высоких скоростях резания значительно уменьшается глубина пла­стически деформированного слоя, что также снижает шероховатость поверхности.

На рис. 3.5, б показана зависимость шероховатости поверх­ности от подачи при точении заготовки из стали 45 резцом с радиу­сом закругления вершины 2,5 мм. Из рисунка видно, что изменение малых подач (до 0,2 мм/об) незначительно влияет на изменение шероховатости поверхности. Но при переходе в область подач свыше 0,2 мм/об микронеровности обработанной поверхности воз­растают более интенсивно.

Рис. 3.5. Графики зависимостей шероховатости поверхности от скоростей резания и подач

С увеличением глубины резания шероховатость поверхности возрастает незначительно и практически ее можно не учитывать.

Значительное влияние па шероховатость поверхности оказывает состояние режущей части инструмента: микронеровности режущей кромки инструмента ухудшают шероховатость обработанной по­верхности; это особенно заметно при обработке протяжками, раз­вертками или широкими резцами. Затупление режущего инстру­мента приводит к увеличению шероховатости обработанной по­верхности.

При обработке заготовок абразивным инструментом шерохова­тость поверхности снижается с уменьшением зернистости и повы­шением твердости шлифовального круга, повышением скорости резания, уменьшением продольной и поперечной подач.

При обработке стали с высоким содержанием углерода (С > 0 5%) получается более чистая поверхность, чем при обработке низкоуглеродистой стали.

Применение смазывающе-охлаждающей жидкости улучшает ше­роховатость обработанной поверхности. Одновременно повышается стойкость инструмента. На рис. 3.6 показано (по данным К. С. Колева) влияние охлаждения на микрогеометрию поверхности при точении стали Х4Н быстрорежущим резцом при подаче S = 0,67 мм/об: 1 — точение без применения охлаждения; 2 — охла­ждение водной эмульсией (0,5 % соды и 0,1 % мыла).

Жесткость технологической системы значительно влияет на шероховатость и волнистость поверхности. Так, например, при точении нежесткого вала с установкой на центры наибольшая шеро­ховатость поверхности получается примерно в средней части по длине вала. Недостаточная жесткость системы может быть причи­ной появления вибрации при резании и, как следствие, образова­ния волнистой поверхности.

Рис. 3.6. Рис. 3.7.

Физико-механические свойства поверхностного слоя деталей и заготовок в значительной мере зависят от воздействия тепловых и силовых факторов в процессе обработки. Поверхностный слой обработанной стальной заготовки состоит из трех зон (рис. 3.7): I – зоны резко выраженной деформации, характеризуемой иска­жением кристаллической решетки, дроблением зерен и повышенной твердостью; II – зоны деформации, характеризуемой вытянутыми зернами и снижением твердости по сравнению с первой зоной; III — переходной зоны (зоны постепенного перехода к структуре основ­ного металла).

Исходные заготовки из стали, полученные ковкой, литьем или прокатом, имеют поверхностный слой, состоящий из обезуглероженной зоны и переходной зоны, т. е. зоны с частичным обезуглерожи­ванием. Например, заготовки, полученные горячей штамповкой, имеют обезуглероженный слой в пределах 150—300 мкм, а полу­ченные свободной ковкой — от 500 до 1000 мкм.

При обработке стальных заготовок резанием глубина деформации распространяется до 100—300 мкм. У чугунных заготовок глубина распространения деформации незначительна (до 15 мкм).

При механической обработке металлов деформация поверхност­ного слоя сопровождается упрочнением (наклепом) этого слоя. С увеличением глубины резания и подачи глубина наклепанного слоя возрастает. Так, например, при черновом точении глубина наклепа составляет 200—500 мкм, при чистовом точении 25—30 мкм, при шлифовании 15—20 мкм и при очень тонкой обработке 1—2 мкм.

Рис. 3.8. Рис. 3.9.

С увеличением скорости ре­зания глубина наклепа умень­шается. Это объясняется уменьшением продолжитель­ности воздействия сил реза­ния на деформируемый ме­талл. На рис. 3.8 показано (по данным К. С. Колева) влияние скорости резанияvпри точении стали ЗОХГС (кривая 1) и стали 20 (кри­вая 2) на наклеп Нd.

При шлифовании деталей доминирующим фактором яв­ляется тепловой, служащий причиной появления в поверх­ностном слое обрабатываемого металла растягивающих на­пряжений. На рис. 3.9 пока­зана схема распределения ос­таточных напряжений σ по­сле шлифования на глубину h поверхностного слоя (кри­вая 1). Появление растягива­ющих напряжений связано с быстрым нагреванием поверхностного слоя в зоне контакта металла детали с шлифовальным кругом. После прохождения шлифоваль­ного круга поверхностный слой, охлаждаясь, стремится сжаться, вызывая растягивающие напряжения. При шлифовании с выхажи­ванием (т. е. с последующим выключением продольной подачи) значительно уменьшаются напряжения растяжения и увеличи­ваются напряжения сжатия (кривая 2).

Категории чистоты обработки металла

Класс чистоты обработки металла зависит от степени шероховатости его поверхности. Он рассчитывается как высота неровностей и периодичность их повторений. На этот показатель влияет два основных фактора: метод воздействия и используемый инструмент.

Существует четыре категории чистоты обработки металлических заготовок:

1. Грубая, когда шероховатости видны невооруженным глазом. Получается вследствие ручной обработки при помощи крупного напильника или при использовании фрез, ножей, сверл на первичном этапе машинной обработки.
2. Получистая, когда неровности едва заметны или незаметны при визуальном осмотре. Достигается при использовании ручного мелкоабразивного напильника или специализированного станка в качестве чистовой обработки.
3. Чистая, когда дефекты поверхности различимы только при использовании дополнительных инструментов. Получается при чистовой обработке бархатным напильником или при использовании специального шлифовального агрегата.
4. Очень чистая, когда неровности поверхности отсутствуют практически полностью. Достигается в результате использования притирки или при высокоточной ручной шлифовке напильниками с минимальной степенью абразивности. Этот класс чистоты обработки металла считается эталонным.

Что такое шероховатость поверхности?

Для ответа на этот вопрос давайте задумаемся о том, как изготавливаются детали. В любом случае, для того, чтобы придать исходному материалу вид детали, изображенной на чертеже, его приходится отпиливать, отрезать, сверлить, фрезеровать или гнуть. Гибка и прочие деформации нас сейчас не особо касаются, а вот механические обработки, описанные выше, вполне.

При отрезе материала поверхность, по которой проходит режущий инструмент, остается отнюдь не гладкой, на ней будут зазубрины, царапины и прочие перепады. Это и есть шероховатость поверхности. Они, конечно, не такие огромные, чтобы прямо бросаться в глаза – их размер в районе нескольких микрометров. И эти размеры, что не удивительно, четко обозначены в соответствующем ГОСТе. Это ГОСТ 2789-73 – «Шероховатость поверхности».

В этом стандарте есть графическое изображение тех неровностей, о которых идет речь.

Рисунок из Википедии, свободной энциклопедии

При увеличении любой поверхности материала можно увидеть похожую картину. Исходя из соотношений указанных на чертеже параметров неровностей можно вывести несколько основных типов шероховатости, которые мы указываем на чертеже.

• Ra — среднее арифметическое отклонение профиля;
• Rz — высота неровностей профиля по десяти точкам;
• Рmax — наибольшая высота профиля;
• Sm — средний шаг неровностей;
• S — средний шаг местных выступов профиля;
• tp — относительная опорная длина профиля, где р – значения уровня сечения профиля.

При указании шероховатости на чертеже предпочтительным является вариант Ra, о чем нам и сообщает ГОСТ.

Рассмотрим первые два варианта шероховатости Ra и Rz.

В случае с Ra численное ее выражение есть среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины, и формируется оно по формуле:

где l – базовая длина, n – число выбранных точек профиля на базовой длине.

В случае с Rz берется сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины:

где ypmi — высота i-го наибольшего выступа профиля, yumi — глубина i-й наибольшей впадины профиля.

В ГОСТе есть табличка, где сведены все возможные значение шероховатостей Ra, и подчеркнуты предпочтительные.

Что такое шероховатость плоскости по видам обработки

При изготовлении необходимой детали, в соответствии с техническими чертежами и эскизами, применяются различные виды обработки. Исходную заготовку подвергают нагреву, сверлению, резке и другим технологическим операциям.

Каждый вид обработки изделия оставляет на ее плоскости определенный рисунок в виде небольшой шагрени, выемок, микроскопических трещин и царапин. Все эти последствия отображаются в виде шероховатости на обрабатываемой поверхности изделия.

Согласно виду технологического воздействия, возникает определенный класс шероховатости плоскости. Более подробно все виды и размеры этого явления представлены в ГОСТе 2789-73 «Шероховатость поверхности».

Стандарт содержит доскональную информацию с иллюстрациями шероховатостей. Некоторые виды технического воздействия оставляют на поверхности материала не заметные глазу изменения. Эти шероховатости изучают под микроскопом.

К основным показателям шагрени относятся:

• Высота обрабатываемой поверхности, измеряемая в 10-и точках;
• Среднее число отклонения плоскости;
• Средний шаг неровностей;
• Наивысшая точка плоскости после обработки;
• Опорная длина профиля.

Финишные шлифовальные работы по металлу и полировка изделия максимально выравнивает плоскость обработки, но внутренние изменения на молекулярном уровне в материале, оставляют определенные последствия в виде микроскопической шагрени.

Какие виды поверхностей существуют

Для обеспечения взаимозаменяемости и унификации производства, параметры шероховатости объединяют в классы. Всего существует 14 их разновидностей. Каждому классу присвоено определенное значение Ra и Rz. Самый точный класс – четырнадцатый, самый грубый – первый. По этой причине поверхности также подверглись классификации. В производстве встречаются следующие их виды:

• Установочные поверхности, неподвижные относительно друг друга, к которым не предъявляются требования по герметичности. Для них значение Ra составляет 2,5-20 мкм.
• Рабочие поверхности, которые перемещаются друг относительно друга. Сюда входят соединения типа поршень-цилиндр, которые часто можно встретить в устройствах разнообразных двигателей и насосов. Ra для них равняется 0,16-2,5 мкм.
• Ограничительные и соединительные поверхности. Под этим подразумеваются элементы, необходимые для крепления и сборки. Это всевозможные корпуса, фиксаторы и прочие механизмы. Ra для них колеблется в пределах 2,5-20 мкм.
• Специальные поверхности. Здесь, главным образом, имеются ввиду органы управления. Обработка таких поверхностей крайне высока с их значением Ra 0,63-0,08 мкм.

Механизм возникновения шероховатости

Все причины возникновения шероховатости можно разбить на 3 группы:

1. Расположение режущих кромок инструмента, относительно обрабатываемой поверхности;
2. Упругая и пластическая деформация обрабатываемого металла;
3. Вибрации в технологической станочной системе.

Образование неровностей на обработанной поверхности можно представить как след от движения режущих кромок инструмента. Назовём такой профиль регулярным.

На образование регулярного профиля влияет геометрия резца, в частности – углы в плане, а так же величина подачи S. Их влияние описывается формулой

В реальном процессе резания впереди резца и под обработанной поверхностью образуется зона пластической деформации, которая вносит некоторую погрешность в регулярный профиль. Пластически деформированный металл в отдельных местах как бы наволакивается на микронеровности, а в где-то вырываются отдельные куски металла. Потому реальное значение Rz может быть записано как:

где — приращение высоты микронеровностей, вызванное пластической деформацией металла. Следовательно, чем меньше пластическая деформация, тем меньше высота микронеровностей. Величина пластической деформации зависит, в большей степени, от твёрдости обрабатываемого материала и, в меньшей — от глубины резания — t.

Шероховатость поверхности и ее влияние на работу деталей машин

В процессе формообразования деталей на их поверхности появляется шероховатость — ряд чередующихся выступов и впадин сравнительно малых размеров.

Шероховатость может быть следом от резца или другого режущего инструмента, копией неровностей форм или штампов, может появляться вследствие вибраций, возникающих при резании, а также в результате действия других факторов.

Влияние шероховатости на работу деталей машин многообразно:

• шероховатость поверхности может нарушать характер сопряжения деталей за счет смятия или интенсивного износа выступов профиля;
• в стыковых соединениях из-за значительной шероховатости снижается жесткость стыков;
• шероховатость поверхности валов разрушает контактирующие с ними различного рода уплотнения;
• неровности, являясь концентраторами напряжений, снижают усталостную прочность деталей;
• шероховатость влияет на герметичность соединений, на качество гальванических и лакокрасочных покрытий;
• шероховатость влияет на точность измерения деталей;
• коррозия металла возникает и распространяется быстрее на грубо обработанных поверхностях и т. п.

Закономерности повышения качества поверхности отверстий

Рекомендуемые скорости резания при сверлении лежат в пределах V = 16–55 м/мин в зависимости от подачи и диаметра сверла. Это диапазон скоростей резания активного наростообразования. Нарост непостоянен по форме и величине. Отделившиеся частицы нароста внедряются в обработанную поверхность, что не позволяет получить высокое качество поверхности отверстий. Нарост отсутствует при скоростях резания больших V > 80 м/мин, но применение этих скоростей по примеру токарной обработки, при обработке быстрорежущим инструментом, из которого изготавливаются стандартные спиральные сверла, невозможно из-за низкой теплостойкости быстрорежущих сталей.

Отмечено, что имеются исследования, направленные на повышение качества обработки сверлением с применением низких скоростей резания V = 3–6 м/мин, по примеру обработки протягиванием. Это позволит, повысить качество обработки сверлением как в отношении точности отверстий и в отношении шероховатости поверхности. Результаты исследований, показывают отсутствие нароста при сверлении на скоростях резания 5 м/мин и меньших в определенном диапазоне подач.

Результаты исследований качества отверстий сверлением на скоростях резания 5 м/мин и меньших представлены в таблицах 1, 2.

Таблица 1 – Примеры разбивки отверстий

Из данных таблицы 1 видно, что на некоторых скоростях резания и подачах разбивка отверстий отсутствует, т. е. диаметр отверстия равен диаметру сверла. В этих условиях резания ленточки сверла выполняют калибрующую функцию, улучшая шероховатость поверхности отверстия. Это видно из данных, представленных в таблице 2. В условиях нулевой разбивки высота микронеровностей равна 1,25 Rα.

Таблица 2 – Шероховатость поверхности отверстий

Отсутствие разбивки отверстий, показанное в таблице 1, подтверждает отсутствие нароста на уголках сверла при работе на скоростях резания 5 м/мин и меньших в указанном диапазоне подач.

Рисунок 1 – Зависимость предела прочности и пластичности углеродистой конструкционной стали от температуры: ε – степень деформации, характеризующая пластичность материала; σв – предел прочности
Отсутствие нароста на этих скоростях резания не раскрывает физические закономерности такого высокого качества отверстий, полученного сверлением стандартными быстрорежущими спиральными сверлами. Ответ на поставленный вопрос в виде рабочей гипотезы дает теория обработки металлов давлением, согласно которой повышение температуры металла оказывает существенное влияние на его механические характеристики (рисунок 1).

На рисунке 1 видно, что в области невысоких температур (до 300 °С) с увеличением температуры пластичность углеродистой стали сначала растет, а предел прочности уменьшается. Дальнейшее увеличение температуры приводит к значительному уменьшению пластичности и увеличению предела прочности металла, достигающего максимума при температуре 300 °С, что объясняется выпадением мельчайших частиц карбидов по плоскостям скольжения аналогично процессу старения.

Известно, что при температуре резания 300 °С, высота нароста максимальная, что совпадает с температурой максимального предела прочности (рисунок 2). Cовпадение температур не случайное, вполне логичная гипотеза, связывающая максимальную высоту нароста с максимальным пределом прочности стали. Это дает основание предположить связь качества отверстий на скоростях 5 м/мин и меньших с максимальной пластичностью металла в области невысоких температур.

Рисунок 2 – Зависимости пути резания от скорости резания (а) и температуры резания (б) при точении конструкционной углеродистой стали резцами из быстрорежущей стали: 1 – толщина среза α = 0,1 мм; 2 – α = 0,3 мм

Экспериментально полученные зависимости пути резания от скорости резания и температуры, позволяют судить о температуре резания при точении на низких скоростях резания, менее 0,1 м/с.

Анализ графиков, представленных на рисунке 2, а

и
б
показал, что на скоростях резания меньших0,1 м/с температура резания примерно равна температуре максимальной пластичности металла, показанной на рисунке 1.

Таким образом, можно предположить, что при сверлении на низких скоростях резания отсутствие нароста исключает отрицательное влияние отделившихся частиц на обработанную поверхность, что положительно влияет на качество обработанной поверхности, но не снижает высоты микронеровностей и не уменьшает квалитет допуска размера. Закономерностями уменьшения разбивки отверстия и снижения высоты микронеровностей может быть и характер влияния температуры резания на пластичность и прочность. Снижение предела прочности и повышение пластичности обрабатываемого материала, связанные с температурой резания, положительно влияют на калибрующую функцию ленточек сверла, уменьшая тем самым высоту микронеровностей. Этому немало способствуют нулевые задние углы на ленточках, повышенная пластичность обрабатываемого металла и отсутствие разбивки обрабатываемых отверстий.

На основании изложенного выше можно сделать следующие выводы.

1. Отсутствие нароста при сверлении с низкими скоростями резания уменьшает разбивку отверстий, но не уменьшает высоту микронеровностей.
2. На качество поверхности отверстий, обработанных стандартными спиральными сверлами, положительно влияют снижение предела прочности и повышение пластичности обрабатываемого материала, связанные с температурой резания.
3. В условиях повышенной пластичности обрабатываемого металла и отсутствия разбивки обрабатываемых отверстий ленточки сверла выполняют не только направляющую функцию, но и калибрующую.

Влияние шероховатости на работу деталей

Как упоминалось ранее, в процессе придания металлическому листу нужной конфигурации на местах воздействия остаются шероховатости – небольшие впадины и гребешки, влияющие на определение класса обработки металла. Они могут возникнуть вследствие неровности режущего инструмента или вибраций, возникающих в ходе работы, остаться как отпечаток неровности на самом штампе или форме и т. д.

Наличие шероховатости детали, установленной в машину или другой агрегат, может привести к:

• некорректному сопряжению элементов за счет смятия материала или ускоренному износу выступов детали;
• падению прочности соединения, дефектам при наложении лакокрасочных и гальванических покрытий;
• некорректным результатам геометрических измерений элемента;
• снижению жесткости стыковых соединений;
• разрушению уплотнений, сопряженных с поверхностями валов;
• снижению усталой прочности элемента за счет концентрации напряжения в шероховатостях;
• ускоренному окислению и порче металла и др.

Основные обозначения

Шероховатость исследуемой поверхности измеряются на допустимо небольших площадях, в связи с чем базовые линии выбирают, учитывая параметр снижения влияния волнообразного состояния поверхности на изменение высотных параметров.

Неровности на большинстве поверхностей возникают по причине образующихся деформаций верхнего слоя материала при осуществляемой обработке с использованием различных технологий. Очертания профиля получают при проведении обследования с помощью алмазной иглы, а отпечаток фиксируется на профилограмме. Основные параметры, характеризующие шероховатость поверхности имеют определенное буквенное обозначение, используемое в документации, чертежах и получаемые при проведении измерений деталей(Rz, Ra, Rmax, Sm, Si, Tp).

Для измерения неровности поверхности используют несколько определяющих параметров:

• Ra- обозначает значение исследуемого профиля с возможным отклонением (среднеарифметическим) и измеряется в мкм;
• Rz – обозначает высоту измеряемых неровностей определяемую по 10 основным точкам в мкм;
• Rmax –максимальное допустимое значение параметра по высоте.

Обозначение шероховатости поверхности

Также используются шаговые параметры Sm и Si и опорная длина исследуемого профиля tp. Данные параметры указываются при необходимости учитывать условия эксплуатации деталей. В большинстве случаев для измерений используется универсальный показатель Ra, который дает наиболее полную характеристику с учетом всех точек профиля. Значение средней высоты Rz применяется при возникновении затруднений связанных с определением Ra с использованием приборов. Подобные характеристики оказывают влияние на сопротивление и виброустойчивость, а также электропроводимость материалов.

Значения определений Ra и Rz указаны в специальных таблицах и при необходимости могут использоваться при проведении необходимых расчетов. Обычно определитель Ra обозначается без числового символа, другие показатели имеют необходимый символ. Согласно действующим нормативным актам (ГОСТ) существует шкала, в которой даны значения шероховатостей поверхности различных деталей, имеющих подробную разбивку на 14 специальных классов.

Существует прямая зависимость, определяющая характеристики обрабатываемой поверхности, чем выше показатель класса, тем меньшее значение имеет высота измеряемой поверхности и лучше качество обработки.

Шероховатость поверхности (чистота обработки). Основные понятия, обозначения на чертежах

Шероховатость поверхности (чистота обработки). Основные понятия, обозначения на чертежах.

Базовая длина — длина базовой линии l, длина линиии, используемой для выделения неровностей.

Средняя линия — средняя линия профиля (m-на рисунке), линия, имеющая форму номинального профиля, с минимальным среднеквадратическим отклонением профиля, от этой линии и отсчитывают все числовые значения для шероховатости:

Рисунок. Профиль шероховатости поверхности и обозначения его характеристик. Средняя линия профиля — не обязательно прямая, см. определение выше.

Параметры шероховатости поверхности Ra, Rz, R max, Sm, S, tp описаны в табличке ниже:

Если Вам встретился класс шероховатости, то используйте таблицу ниже:

Таблица. Значения параметров Ra и Rz для указанных классов шероховатости (в теории — использование Ra предпочтительнее использования параметраRz).

Обозначение шероховатости на чертежах. Структура обозначения:

Значения параметров шероховатости указывают на чертежах нижеследующим образом:

— Ra указывается без символа, а другие параметры с символом.

— При указании диапазона параметров записывают пределы в 2 сроки:

— Номинальное значение параметра записывается с предельным отклонением

— При указании нескольких параметров шероховатости их значения записывают в столбик, сверху вниз в следующием порядке: параметр высоты неровностей (Ra, Rz, Rmax), параметр шага неровностей (Sm,S), относительная опорная длина профиля (tp).

— Если шероховатость нормируется параметром Ra или Rz из числа приведенных в таблице «Значения параметров Ra и Rz для указанных классов шероховатости» выше, то базовую длину в обозначении шероховатости не указывают.

В зависимости от требуемого вида обработки материалов используют нижеследующие значки шероховатости:

Ниже приведена картинка с указанием обозначений направлений неровностей на значке шероховатости. (Администрации проекта ДПВА такие значки не встречались никогда, но они существуют).

Рисунок. Условные обозначения направлений неровностей на значке шероховатости.

Какие параметры шероховатости существуют

Существует свыше 8 параметров, которые характеризуют значение высоты неровностей поверхности. В статье мы разберем лишь самые востребованные, незнание которых будет значительным пробелом для любого технического специалиста. Это Ra и Rz.Значение Rz показывает среднеарифметическое значение высоты, взятое по 10 точкам поверхности. Это означает, что в измерении участвовали только 5 подъемов и 5 впадин. Весь остальной «горный массив» в расчет не принимался. В системе СИ Rz измеряется в микрометрах.

Ra является также среднеарифметическим показателем высоты шероховатости. От Rz его отличает то, что в расчет берется не 10 точек, а все. По этой причине параметр Ra более точно отображает неровность поверхностей и считается более предпочтительным.

Помимо Ra и Rz стоит упомянуть о еще одном параметре, близкий по смыслу вышеупомянутым. Это Rmax. Он отображает высоту неровностей поверхности только по ее максимальным точкам. По наибольшей высоте и наименьшей впадине. В нынешнее время Rmax не используется в силу своей грубой точности.

Измерение

Шероховатость меряют двумя способами: качественным и количественным. Качественный метод оценки неровностей поверхности больше подходит непосредственно для производственников. В тех ситуациях, когда глубокий анализ не целесообразен или на него нет банально времени. Данный способ носит более грубый характер и заключается в сравнении гладкости исследуемой поверхности с неким эталоном на ощупь.

Эталон представляет собой небольшую металлическую плитку с габаритными размерами 30х30 мм и толщиной 5 мм. Он имеет определенное значение Ra и Rz, является образцом по которому сравнивают качество поверхности. Такие плиты собирают в наборы с указанием напротив каждой позиции значение шероховатости.

Количественный метод более точен и требует для своего осуществления специального оборудования. Это могут быть профилометры, профилографы и двойные микроскопы. По исследуемой поверхности проводят подключенным к приборам стержень с алмазным наконечником, высокочувствительным к перемещениям. Этот стержень полностью повторяет форму поверхностей и передает ее размеры на экран или ленту профилограммы. Дальше, по полученным данным лаборант делает точное заключение о значение шероховатости и передает ее службе качества.

Что такое базовая длина и для чего она используется?

Базовая длина l –длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующая шероховатость поверхности. Базовая линия проводится относительно профиля неровностей определённым образом и имеет заданную геометрическую форму.

Что значит Ra?

Ra — символ химического элемента радия. Ra — обозначение шероховатости поверхности (среднее арифметическое отклонение профиля в мкм)

Что такое RZ на чертеже?

Rz – высота неровностей профиля по десяти точкам. Шероховатость поверхностей обозначают на чертеже для всех выполняемых по данному чертежу поверхностей изделия, независимо от методов их образования, кроме поверхностей, шероховатость которых не обусловлена требованиями конструкции.

Что такое RZ 20?

Сумма средних арифметических абсолютных отклонений точек пяти наибольших минимумов и пяти наибольших максимумов профиля в пределах базовой длины. Расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины.

Что такое шероховатость

Любые типы поверхностей, какие бы они не были ровными на первый взгляд, имеют в своей структуре череду подъемов и впадин. На вид это близко к форме горных массивов. Высоту этих «гор» и характеризует шероховатость.

Шероховатость представляет собой совокупность неровностей поверхности.

Параметры, средства измерения и обозначение шероховатости в конструкторской документации полностью стандартизированы. Они описываются тремя государственными стандартами: ГОСТ 2789-73, ГОСТ 25142-82 и ГОСТ 2.309-73.

Методы осуществления контроля

Для осуществления контроля шероховатости поверхности используются два метода:

• качественный;
• количественный.

При проведении качественного контроля проводится сравнительный анализ поверхности рабочего исследуемого и стандартного образцов путем визуального осмотра и на ощупь. Для проведения исследования выпускаются специальные наборы образцов поверхностей имеющих регламентную обработку согласно ГОСТ 9378-75. Каждый образец имеет маркировку с указанием показателя Ra и метода воздействия на поверхностный слой материала (шлифовка, точение, фрезерование т.д.). Используя визуальный осмотр можно достаточно точно дать характеристику поверхностного слоя при характеристиках Ra=0.6-0.8 мкм и выше.

Образцы шероховатости поверхности

Количественный контроль поверхности проводится с использованием приборов работающих с применением разных технологий:

• профилометра;
• профилографа;
• двойного микроскопа.

Основные правила, используемые для обозначения неровности поверхности на чертежах

Основные правила, которые необходимо использовать при выполнении чертежа:

1. На чертеже указываются все шероховатости поверхности для используемого материала без учета используемых методов.
2. Нанесение значений шероховатостей осуществляется на разрезах, которые имеют размер.
3. Знаки наносятся на всех видах линий используемых в чертеже.
4. При наличии у знака полки его местоположение определяется по отношении к основной надписи.
5. Если изделие имеет разрыв на чертеже, то производится маркировка только одной части изображения.
6. Если поверхностный слой требует использования обработки участков детали различного класса, то производится разделение с помощью сплошной линии.
7. В случае сокращения места необходимого для нанесения обозначений на чертеже возможно допустимое упрощение знаков.
8. При одинаковом значении шероховатости поверхности контура, значение наносится один раз.
9. При идентичности различных поверхностей с одинаковыми значениями шероховатости, допускается нанесение значений один раз.
10. Знаки, обозначающие неровности должны иметь толщину в 1.5 раза больше, чем нанесенные на изображение.
11. Условия, обозначающие направление поверхностей должны соответствовать стандартам.
12. Обозначение шероховатости поверхности производится с использованием общих правил.

Обозначения направления шероховатости поверхности на чертежах

Учитывая структуру материала, конструктор имеет возможность указать необходимые параметры, предъявляемые к качеству поверхностей. Причем характеристики могут указываться по нескольким параметрам с установкой максимально и минимального значения с возможными допусками.

Маркировка структуры поверхности

На чертежах обозначение шероховатости делается для всех поверхностей изделия, за исключение тех, шероховатость которых не обозначена требованиями. В конструкторской документации маркировка обозначается специальным значком, который имеет дополнительную полку и прочие уточнения. Если способ обработки не указывается, то на чертеже значок изображается без полки.

Правила нанесения знаков шероховатости на чертежах

Знаки для обозначения шероховатости поверхности в зависимости от вида её обработки

Основной знак
Основной значок, который соответствует стандартном условию нормирования шероховатости. Используется, когда метод образования шероховатости не регламентирован.

Обработка механическим способом

Данный знак применяется, когда поверхность получена в результате обработки механическим способом. Например, при шлифовке, обточке, полировке и т.д. В данном обозначении конкретный вид механического воздействия может не указываться.

Обозначение обработки литья или штамповки

Данное обозначение используют, когда поверхность получена без удаления слоя механической обработкой. Например, литьём или штамповкой. То, какие работы проводились с деталью также не указывается.

Примеры обозначения шероховатости поверхности

Для того чтобы понимать обозначение шероховатости поверхности на чертежах нужно рассмотреть несколько простых примеров:

• √(Ra 3 ) – цифра «3» указывает на наибольшее допустимое значение параметра. В зависимости от цифры будут меняться и характеристики, логично, что если «3» заменить на «80» или «10», то при изготовлении детали будут добиваться нужного значения.
• √(Rz 40 min);√(Rz 20min) – Rz 40min и Rz 20min указывают на наименьшее значение параметра. Такое обозначение используют, когда для правильного выполнения своих функций на детали не должна быть слишком ровная поверхность.

Более подробную информацию об обозначениях можно найти в ГОСТе 2.309-73.

Условные обозначения направлений неровностей поверхности

• √(=Ra1) – неровности направлены параллельно друг другу.
• √(⊥Ra1) – перпендикулярное направление.
• √(Х Ra1) – направления перекрещиваются.
• √(М Ra1) – произвольное направление.
• √(С Ra1) – кругообразное направление.
• √RRa1 – радиальное направление относительно центра поверхности.
• √PRa1– неровности направлены хаотично.

Интересное: Описание и виды технологических процессов

Обозначения направления шероховатости поверхности на чертежах

Как выбрать шероховатость?

Выбор шероховатости не такой уж и сложный процесс, как может показаться. Везде, где я работал, да и у знакомых так же, по умолчанию выбирается шероховатость Ra6,3 для всех поверхностей, где нет конкретных указаний о гладкости поверхности. Для более гладких поверхностей, например, шлифованных, значение шероховатости может быть в пределах от 3,2 до 0,1. Смотреть нужно по целевой принадлежности детали. Например, если к поверхности, для которой указывается шероховатость, будет прикладываться охлаждаемый радиатор, то ее нужно сделать гладкой – Ra1,6. За все время работы я встречал использование только четырех вариантов шероховатости:

1. 6,3 везде
2. 3,2 в более аккуратных местах, таких как канавки под уплотнительную резинку
3. 1,6 в местах контакта охлаждаемых поверхностей
4. 0,8 в местах, где поверхность полировалась (лазерная техника)

При попытках рассмотреть этот вопрос в интернете, можно найти много разнообразных картинок с теорией, где нарисована хитрая деталь со всеми возможными видами обработки и указаны шероховатости для этих видов. Характерно то, что на всех этих картинках цифры указаны вроде бы одинаковые, но диапазоны у них разные. В любом случае, для общего понятия правильной постановки шероховатости будет достаточно и списка выше, а для более хитрых деталей следует изучить требование, которые к ним применяются конкретно на предприятии или заказчиком.

Таблица шероховатости

Исходная шероховатость является следствием технологической обработки поверхности материала. Для широкого класса поверхностей горизонтальный шаг неровностей находится в пределах от 1 до 1000 мкм, а высота — от 0,01 до 10 мкм. В результате трения и изнашивания параметры исходной шероховатости, как правило, меняются, и образуется эксплуатационная шероховатость. Эксплуатационная шероховатость, воспроизводимая при стационарных условиях трения, называется равновесной шероховатостью.

Особые условия

При массовом производстве определенных деталей иногда нарушается заданная форма или их сопряженность. Подобные нарушения увеличивают допустимый износ деталей, и ограничиваются специальными допусками, которые указаны в ГОСТ 2.308-2011. Каждый вид используемого допуска имеет 16 определяющих степеней точности, которые оговариваются для деталей разной конфигурации с учетом используемого материала. Необходимо также учитывать, что используемые допуски размера и конфигурации для деталей имеющих цилиндрическую форму берутся с учетом диаметра деталей, а плоские детали с учетом толщины, а максимальная погрешность не должна превышать показатель допуска.

Источники

• https://vt-metall.ru/articles/436-klassy-chistoty-obrabotki-metalla
• https://engineerscreed.ru/sherohovatost-poverhnosti/
• https://morflot.su/sherohovatost-poverhnosti-ra-i-rz-otlichie/
• https://osntm.ru/scherochowatost.html
• https://lfirmal.com/sherohovatost-poverhnosti-4/
• https://crast.ru/instrumenty/sherohovatost-ra-i-rz-v-chem-raznica
• https://vologda-yel.ru/chto-oznachaet-znak-sherohovatosti-v-skobkah/
• https://sakhkor.ru/tehnologii/tablica-sherohovatosti-poverhnosti.html