Шероховатость поверхности. Виды, методы и параметры.

В чем измеряется шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности измеряется в микрометрах (1 мкм = 0,001 мм) и оценивается обычно по двум параметрам Rz и Ra.

Rz — это высота неровностей профиля по 10 точкам в то время как Ra — это среднее арифметическое отклонение профиля.

Примерное соответствие этих параметров друг другу с привязкой к классу чистоты шероховатости поверхности смотрите в таблице приведенной ниже:

Роль и значение

Шероховатость играет важную роль в определении того, как реальный объект будет взаимодействовать с окружающей средой. В трибологии шероховатые поверхности обычно изнашиваются быстрее и имеют более высокие коэффициенты трения, чем гладкие. Шероховатость часто является хорошим предиктором характеристик механического компонента, поскольку неровности на поверхности могут образовывать места зарождения для трещин или коррозии. С другой стороны, шероховатость может способствовать адгезии. Вообще говоря, вместо масштабных дескрипторов, кросс-масштабные дескрипторы, такие как поверхностная фрактальность, обеспечивают более значимые предсказания механических взаимодействий на поверхностях, включая жесткость контакта и статическое трение. Шероховатость поверхности — это довольно сложный параметр, подробности о котором можно узнать ниже.

Канал ДНЕВНИК ПРОГРАММИСТА

Жизнь программиста и интересные обзоры всего. Подпишись, чтобы не пропустить новые видео.

Средства измерения шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности можно измерить двумя способами:

• Визуальный метод сравнения поверхности с эталоном (сравнение на ощупь)
• Прибором для измерения шероховатости

Для экспресс оценки в машиностроительной, ремонтной и приборостроительной отраслях промышленности, где допускаются отклонения от проектной величины, как правило, используют визуальный метод сравнения. В качестве эталонов используют образцы шероховатости, полученные различными способами обработки и имеющие заранее известное значение шероховатости.

Для более точного измерения шероховатости поверхности, в местах где требуется строгое соответствие проектным величинам, применяют специальные приборы: профилометры или профилографы. С помощью профилографа получают так называемую профилограмму, которая требует дополнительной расшифровки, в то время как профилометр сразу показывает точное значение неровности по заданным параметрам. Существуют как портативные профилометры применяемые в «полевых» условиях, так и стационарные приборы, которые используются в метрологических лабораториях для непосредственной калибровки эталонов шероховатости, а так же в учебных целях.

Исходя из выше сказанного можно сделать вывод, что контроль поверхности важно проводить в тех случаях, когда необходимо износостойкость, антикоррозийную стойкость и исключить возможность появления поверхностных трещин от усталости металла. Иногда низкий уровень шероховатости нужно получить не только для технических характеристик детали, но и для ее эстетического вида.

Применяемые методы контроля

Шероховатость поверхности может оцениваться самыми различными методами. Контроль может проводится на различных этапах, в некоторых случаях он визуальный, в других предусматривает применение специальных инструментов. Наиболее распространенными методами контроля шероховатости поверхности можно назвать:

1. Компараторы.
2. Электронные приборы.
3. Микроскопы.
4. Метод реплик согласно стандартам ISO.
5. Профилометр.

6. 
   Профилометр Mahr Marsurf PS1

   
   компаратор СА507 + СА3600A

Шероховатость поверхности контролируют в процессе обработки материала или после выпуска продукции при определении его качества. Наиболее доступный метод оценки визуальный, но он не позволяет определить шероховатость поверхности с высокой точность. Визуальный метод не является разновидностью контроля, а только позволяет определить наличие или отсутствие дефектов. Наиболее доступный метод контроля шероховатости поверхности заключается в применении компараторов ISO, технические показатели которого соответствуют установленному стандарту ИСО 8503-1. Для контроля могут использоваться два типа рассматриваемого измерительного инструмента, которые применимы на различных производствах.

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.

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.

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

Но рассмотрим эти приборы более подробно:

1) Профилометр

— прибор, который предназначается для измерения шероховатости контактным методом. Контактный метод означает, что по исследуемой поверхности перемещается специальная алмазная игла, колеблющаяся от неровностей поверхности. Такие колебания иглы передаются на датчик, где преобразуются в малые электрические токи, которые, в свою очередь, усиливаются гальванометром и регистрируются. Показания выводятся на дисплей прибора и дают представление о характере неровностей исследуемой поверхности — их высоте и глубине. Часто, для оценки шероховатости выбираются другие параметры — средневзвешенные, амплитудные, суммарные и деленые на длину поверхности.

Попробуем вкратце описать, как же работает профилометр, из чего состоит, на чем базируется принцип его действия.

Итак, как и в любом измерительном устройстве, у профилометра должен быть объект измерения, измерительный источник сигналов (генератор сигналов), блок обработки сигналов и блок вывода результатов измерений. Объектом, в данном случае, является поверхность, шероховатость которой необходимо измерить. В качестве генератора сигналов, используется тонко заточенная игла, чаще всего — алмазная, но встречаются профилометры с иглами из твердых сплавов. Игла перемещается вдоль поверхности, перпендикулярно её плоскости, при этом, на шероховатой поверхности, неизбежно, возникают колебания иглы. Такие механические колебания являются первичным сигналом, который при помощи преобразователя — индуктивного, ёмкостного или пьезоэлектрического — преобразуется в токовый. После этого, электрический сигнал поступает на электронный усилитель, после чего интегрируется и визуализируется. Таким образом, на дисплее можно увидеть уже усредненный параметр, характеризующий не только количественные, но и качественные показатели неровности и шероховатости поверхности.

Профилометры принято различать в зависимости от вида трассы интегрирования.

Это интересно: Измерения штангенциркулем — резьбовых соединений, протекторов шин, линейных размеров

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.

Приборы контактного действия

Принципиальная схема контактного профилометра с индуктивным преобразованием сигнала включает в себя:

1. Щуп с алмазным наконечником.
2. Преобразователь.
3. Механизм перемещения щупа.
4. Усилитель электрического сигнала.
5. Аналогово-цифровой преобразователь.
6. Дисплей, либо стрелочный индикатор.
7. Датчики обратной связи, управляющие движением щупа.
8. Реле времени.
9. Переключатель диапазонов измерения.

Типовым представителем этого класса измерительной техники считается профилометр модели 296, которым можно замерить шероховатость плоских поверхностей. Основные технические характеристики устройства приведены ниже:

• SJ-210 Surfest.

• Измерительный диапазон шероховатости, мкм – 0,02…10,0;
• Количество рабочих диапазонов оценки – 3;
• Систематическая погрешность, % — 2;
• Параметр шага, мм – 0,004…2,5;
• Скорость отслеживания результата, мм/с – 1;
• Питание – от сети переменного тока.

Измеритель типа 296 и им подобные (например, модели 130) из-за больших габаритов позволяют определять шероховатость изделий в условиях цеховых лабораторий.

Профилометром портативного типа, который работает по тому же принципу, является российский прибор модели ТR-100, включающий в себя пьезоэлектрический преобразователь. Он позволяет контроль шероховатости, если деталь имеет не только плоские, но и на выпуклые/вогнутые поверхности. Калибровка показаний для готовности прибора к работе производится узлом, встроенным в основную схему. ТR-100 обладает увеличенным диапазоном (0,05…50 мкм), но при тех же значениях производительности отличается несколько меньшей точностью — ±12 %.

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.

Механика

Вам будет интересно:Вандейский мятеж и его значение в истории Франции

Структура поверхности играет ключевую роль в управлении механикой контакта, то есть механическое поведение, проявляющееся на границе раздела между двумя твердыми объектами, когда они приближаются друг к другу и переходят из условий бесконтактности в полный контакт. В частности, нормальная контактная жесткость определяется преимущественно структурами шероховатости (наклон поверхности и фрактальность) и свойствами материала.

С точки зрения инженерных поверхностей, шероховатость считается вредной для характеристик детали. Как следствие, большинство производственных отпечатков устанавливают верхний предел шероховатости, но не нижний. Исключение составляют отверстия цилиндра, в которых масло сохраняется в профиле поверхности и требуется минимальная шероховатость поверхности (Rz).

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.

Обозначения отклонения неровности поверхностей

На чертеже шероховатость указывается согласно приведённой ниже схеме.

Как видно, внешнее обозначение напоминает математический квадратный корень с соответствующими надписями в определенных местах. Каждая такая надпись характеризует определенный параметр шероховатости. Разберем их более подробно.

В левом верхнем углу указывается значение шероховатости по Ra и Rz. При чем стоит отметить, что если показано просто число, то автоматически это имеется ввиду Ra. Для обозначения Rz, необходимо дополнительно дописать буквенное примечание.

Существует три разновидности формы этого математического корня:

Треугольник без верхнего основания указывает, что способ получения шероховатости не задан конструктором

Есть требования к качеству поверхности, а каким способом оно будет достигнуто (шабрение, полировка и прочее) неважно. С кругом в вершине. Поверхность не нуждается в дополнительном улучшении. С верхним подчеркиванием

Этот знак говорит, что шероховатость должна достигаться обязательным снятием слоя металла.

В зоне над полкой прописывается тип механической обработки с помощью которой нужно довести поверхность до заданного значения Ra и Rz. Обычно сюда прописываются такие термины как «полировать», «шабрить» и прочее виды механической обработки.

В левом нижнем углу под полкой прописывается направление линий неровностей шероховатости. Разберем этот параметр на примере. Допусти Вам нужно прошлифовать поверхность стола абразивным кругом. В зависимости от того как Вы будете направлять инструмент пойдут линии шероховатости. Если будете его водить кругами, то Вы увидите волны от следов круга. Если движения будут пересекать друг друга, то плоскость стола будет в крестах. Это и регулирует данный параметр

В некоторых случаях это не важно, а некоторых имеет решающее значение

Справа от направлений линий неровностей становиться значение базовой длины, на которой измеряется шероховатость. Ее значение стандартизировано и необходимы для того, чтобы минимизировать воздействие на точность измерения плоскостью прогиба самой поверхности.