Определение шероховатости и волнистости поверхностей

1. Определение  шероховатости и волнистости поверхностей.

 

      Шероховатость поверхности является одной из основных геометрических характеристик качества поверхности деталей и оказывает влияние на эксплуатационные показатели. В условиях эксплуатации машины или прибора, внешним воздействиям, в первую очередь, подвергаются поверхности их деталей. Износ трущихся поверхностей, зарождение трещин усталости, смятие, коррозионное и эрозионное разрушения, разрушение в результате кавитации и др. — это процессы, протекающие на поверхности деталей и в некотором прилегающем к поверхности слое. Естественно, что придание поверхностям деталей специальных свойств, способствует существенному повышению показателей качества машин в целом и в первую очередь показателей надежности.

       Качество поверхности является  одним из важнейших факторов, обеспечивающих высокие эксплуатационные  свойства деталей машин и приборов  и обусловливается свойствами  металла и методами обработки:  механической, электрофизической, электрохимической,  термической и т. д. В процессе  механической обработки (резание  лезвийным инструментом, шлифование, полирование и др.) поверхностный слой деформируется под действием нагрузок и температуры, а также загрязняется примесями (частицы абразива, кислород) и другими инородными включениями.

      Геометрические характеристики  качества поверхности показаны  на рис.1 в порядке уменьшения их абсолютных  величин: отклонения формы   (макрогеометрия); волнистость; шероховатость (микрогеометрия); субмикрошероховатость. В отдельных случаях волнистость может быть больше погрешности формы, а шероховатость больше волнистости. Волнистость занимает промежуточное положение между шероховатостью и погрешностями формы поверхности. Критерием для их разграничения служит отношение шага S к высоте неровностей R.

Рис. 1

           Классификация геометрических характеристик качества поверхности

        Взаимосвязь параметров качества поверхности деталей и их эксплуатационных свойств является одним из основных направлений исследований в области машино- и приборостроения.

         В настоящее  время достаточно изучены вопросы  связей качества обработанной  поверхности с   эксплуатационными  показателями деталей и узлов  машин и приборов (трение и  износ при скольжении и качении,  жидкостное трение контактная  жесткость, прочность прессовых  соединений, отражательная способность,  износостойкость при переменных  нагрузках, коррозионная стойкость  и качество лакокрасочных покрытий, точность измерений, соотношение  между допусками размера и шероховатостью поверхности и т. д. )

        Трение и  износ деталей в значительной  степени связаны с макронеровностями,  волнистостью, микронеровностями, а  также с направлением штрихов  (следов) обработки. На рис.2 показано влияние шероховатости поверхности на износостойкость деталей машин. При взаимном перемещении контактирующих плоских (рис.2 а) или цилиндрических (рис.2 б) поверхностей, имеющих микронеровности (шероховатость), в первоначальный момент происходит срез, отламывание и пластический сдвиг вершин неровностей, так как их контакт происходит по вершинам неровностей. Зависимость износа от времени работы трущихся поверхностей видна из графика    (рис.2 г, д). Сначала сравнительно быстро (участок I) за период времени T₁ происходит начальное изнашивание (приработка). При правильном режиме смазывания (рис.2 в) изнашивание протекает медленно (участок II), что обусловлено образованием равновесной шероховатости. Этот период времени определяет срок службы детали. Катастрофическое изнашивание пары характеризуется участком  III.

      На  рис.2 д кривая 2 характеризует износ поверхностей с меньшими начальными шероховатостями, чем кривая l. В этом случае величина и время приработочного изнашивания уменьшаются, а интенсивность эксплуатационного изнашивания остается той же.   При меньшей шероховатости сопряженных поверхностей время работы деталей будет большим (Т₂> T₁ )

                                                         Рис 2.

 Шероховатость  поверхности и её влияние на  износостойкость.

 

 а, б — схемы  контакта сопряженных деталей  по образующей  (вдоль оси) и  по окружности; в — идеализированный  и фактический контакт поверхностей; г, 

д  — типовые  графики износа во времени.             

 

      Шероховатость  и волнистость поверхности взаимосвязаны  между собой.

 

      Волнистость является элементарным отклонением поверхности любой формы. Высота неровностей волнистости и высота шероховатости примерно одинаковы, отношение же шагов к высоте различны. 

Волнистость — совокупность периодически повторяющихся неровностей на поверхности, которые образуются прежде всего в связи с колебаниями или относительными колебательными движениями в системе станок—инструмент—изделие.

       Волнистость определяется на  нормальном сечении поверхности,  причем шероховатость и другие отклонения формы исключаются. К волнистости, как правило. относятся периодические неровности, у которых отношение шага к высоте больше 40. У изделий с круглым сечением к волнистости относятся отклонения в радиальном сечении, у которых шаг меньше 1/15 окружности.

       По рекомендации  СЭВ (PC 3951-73) для оценки волнистости поверхности следует учитывать максимальную высоту волнистости Wmax, среднюю высоту волнистости по десяти точкам Wz, вычисляемые аналогично параметрам Rmax и Rz шероховатости поверхности, и средний шаг волнистости Sw, определяемой как среднее арифметическое расстояние из пяти значений между волнами на пяти равновеликих отдельных участках измерений волнистости (аналогично шагу Sm для шероховатости).

        Однако оценка волнистости только по указанным параметрам в ряде случаев недоста­точна. Более полно следует оценивать волнистость по тем же параметрам, что и шерохо­ватость: высотным Wmax, Wa, Wz, Wp, шаговые Sw, форме неровностей волн rw, их направлению, опорной длине профиля tw.

         Волны могут образовываться на детали в двух взаимно перпендикулярных направле­ниях, в связи с чем рекомендуется различать продольную и поперечную волнистость. Если первая обычно возникает в результате вибрации технологической системы, то вторая вызывается неравномерностью подачи, неправильной правкой шлифовального круга, неравномерностью его износа и т. д.

 

                       2. Отклонения формы и расположения поверхностей

 

Отклонения  поверхностей определяются не только волнистостью и шероховатостью, но и отклонениями формы и взаимного  расположения поверхностей.

Различают номинальную поверхность, форма  которой задана чертежом или другой технической документацией, и реальную поверхность, ограничивающую деталь и  отделяющую ее от окружающей среды.

Подобно определяются номинальный и реальный профили – линии пересечения  соответствующих поверхностей с  плоскостью или заданной поверхностью. В основу нормирования отклонений формы  и расположения поверхностей положен  принцип прилегающих поверхностей (плоскость, цилиндр) или прилегающих  профилей (прямая, окружность). Под прилегающей  поверхностью (профилем) понимается поверхность (профиль), соприкасающаяся с реальной поверхностью (профилем) вне материала  детали и расположенная так, чтобы  расстояние Δ от ее наиболее удаленной точки до прилегающей поверхности (профиля) было минимальным (рис. 3).

Отклонение  формы оценивается наибольшим расстоянием Δ от точек реальной поверхности (профиля) до прилегающей поверхности (профиля) по нормали к прилегающей поверхности (профилю). Частными видами некруглости (рис. 3, а) являются овальность (рис. 3, б) и огранка (рис. 3, в); неплоскостности и непрямолинейности – выпуклость (рис. 3. г) и вогнутость (рис. 3, д); нецилиндричности поверхности – бочкообразность (рис. 3, е), седлообразность (рис. 3, ж) и конусообразность (рис. 3, з). В отклонение формы включается и волнистость.

 

Рис. 3

        

Под отклонениями расположения понимают отклонение от номинального расположения рассматриваемой  поверхности, ее оси или плоскости  симметрии относительно базы или  отклонение взаимного расположения рассматриваемых поверхностей. За базу обычно принимают элемент (поверхность, линия, точка) детали, по отношению к  которому задается допуск. Обозначаются базы зачерненным равносторонним треугольником, основание которого касается принятого  за базу элемента (рис. 4, б).

Из суммарных  допусков (табл. 1) формы и расположения чаще других указывают допуски радиального  и торцового биения. Радиальное биение равно разности наибольшего и  наименьшего расстояний от точек  реального профиля поверхности  вращения до базовой оси вращения, а торцовое биение – разности наибольшего  и наименьшего расстояний от точек  реального профиля торцовой поверхности  до плоскости, перпендикулярной оси  вращения.

Отклонения  формы и расположения поверхностей искажают характер соединения деталей  при сборке, что отрицательно сказывается  на работе соединения. Поэтому величины отклонений должны быть ограничены.

Числовые  значения допусков формы и расположения поверхностей, назначаемые в конкретных случаях, должны соответствовать установленным  ГОСТ 24643-81. Допуски цилиндричности, круглости, профиля продольного сечения, плоскостности, прямолинейности и параллельности назначаются в тех случаях, когда они должны быть меньше допуска размера. Существует 16 степеней точности (1, 2, …, 16) для отклонений формы и расположения поверхностей; чем выше порядковый номер степени, тем больше допуск.

Из шестнадцати  степеней точности, предусмотренных  стандартом, используют обычно степени  точности 1–12. Степени 1-ю и 2-ю применяют  для посадочных поверхностей шарикоподшипников 2-го и 4-го классов точности; степени 3-ю и 4-ю – для посадочных поверхностей точных измерительных приборов и  шарикоподшипников 5-го и 6-го классов  точности; степени 5-ю и 6-ю – для  посадочных поверхностей шарикоподшипников 0-го класса точности и зубчатых колес 6-й и 7-й степени точности, посадочных мест валов механизмов высокой и  средней точности; степени 7-ю и 8-ю  – для посадочных поверхностей зубчатых колес 8-й и 9-й степени точности, осей механизмов средней точности; степени 10–12 – для менее точных поверхностей.

 

 

              3. Шероховатость, как геометрическое состояние поверхности.

 

     Прочность деталей  также зависит от шероховатости  поверхности. Разрушение детали, особенно при переменных нагрузках,  в большей степени объясняется  концентрацией напряжений, вследствие  наличия неровностей. Чем меньше  шероховатость, тем меньше возможность возникновения поверхностных трещин от усталости металла. Отделочная обработка деталей (доводка, полирование и т. п.) обеспечивает значительное повышение предела их усталостной прочности.

Уменьшение  шероховатости поверхности значительно  улучшает антикоррозионную стойкость деталей. Это имеет особенно важное значение в том случае, когда для поверхностей не могут быть использованы защитные покрытия (поверхности цилиндров двигателей и др.).

    Надлежащее качество  поверхности играет немаловажную роль и в сопряжениях, отвечающих условиям плотности, герметичности, теплопроводности. С понижением шероховатости поверхностей улучшайся их способность к отражению электромагнитных, ультразвуковых и световых волн; уменьшаются потери электромагнитной энергии в волноводных трактах, резонирующих системах, уменьшается  емкость электродов; в электровакуумных приборах уменьшается газопоглощеиие и газовыделение, облегчается очистка деталей от адсорбированных газов, паров и пыли.

Важной геометрической характеристикой качества поверхности  является направленность штрихов — следов механической и других видов обработки  (Рис.4). Она влияет на износостойкость поверхности, определенность посадок, прочность прессовых соединений. В ответственных случаях конструктор должен оговаривать направленность следов обработки на поверхности детали. Это может оказаться необходимым, например, в связи с направлением относительного скольжения сопряженных деталей или с направлением движения по детали струи жидкости или газа. Изнашивание уменьшается и достигает минимума при совпадении направления скольжения с направлением неровностей обеих деталей.

         Высокой точности всегда отвечают малые шероховатости и волнистость поверхности. Это определяется не только условиями работы сопряженных деталей, но и необходимостью получения надежных результатов измерения в производстве. Уменьшение шероховатости поверхности вносит большую определенность в характер  сопряжения, так как размер зазора (или натяга), полученный в результате контроля деталей, отличается от размера эффективного зазора или натяга, имеющего место в эксплуатации или при сборке. Эффективный натяг при сборке уменьшается, а зазор в процессе работы механизма увеличивается, причем тем больше и быстрее, чем более грубо обработаны сопрягаемые поверхности.

        Малую шероховатость  поверхности бывает необходимо  использовать и для придания  красивого внешнего вида детали  или удобства содержания поверхностей  в чистоте и т. п.

       Требования к  шероховатости поверхности должны  устанавливаться исходя из функционального  назначения поверхности для обеспечения  заданного качества изделий. Если в этом нет необходимости, то требования к шероховатости поверхности не устанавливаются и шероховатость этой поверхности контролироваться не должна  . Требования к шероховатости поверхности    не включают требований к дефектам поверхности (раковины и пр.), поэтому при контроле шероховатости поверхности влияние дефектов поверхности должно быть исключено. В некоторых случаях допускается устанавливать требования к шероховатости отдельных участков одной поверхности, которые могут быть различными.