ШЕРОХОВАТОСТЬ И ВОЛНИСТОСТЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ШЕРОХОВАТОСТЬ И ВОЛНИСТОСТЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ

Реальная поверхность, ограничивающая деталь, в отличие от номинальной – геометрически правильной и «гладкой» – имеет сложный профиль, характеризующийся микро- и макрогеометрией. К микрогеометрии реальной поверхности относят шероховатость. Волнистость занимает промежуточное положение между макрогеометрией и микрогеометрией, поскольку высотные параметры близки к шероховатости, а шаговые – к макрогеометрии.

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. Она может быть прямой, дугой окружности, или иметь иную форму, которая определяется нормальным сечением номинальной поверхности плоскостью.

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 оценивают с использованием системы координат, одной из осей которой является средняя линия профиля m (рис.1).

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…yi 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, должны быть равны между собой.

Числовые значения базовой длины l по ГОСТ 2789-73 выбирают из ряда значений, мм: 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 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.

Стандарт устанавливает для количественной оценки шероховатости шесть параметров: три высотных (Ra, Rz, Rmax), два шаговых (Sm, S) и параметр tр, характеризующий относительную опорную длину профиля.

Рис. 1. Профиль поверхности (к определению параметров шероховатости)

 

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.

Среднее арифметическое отклонение профиля (Ra) определяется как среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины:

,

или, более строго,

где l – базовая длина, на которой оценивается значение параметров шероховатости;

n – число выбранных точек профиля на базовой длине.

Числовые значения Ra по ГОСТ 2789-73 приведены в табл. 1. Жирным шрифтом выделены предпочтительные значения.

Таблица 1

Значения Ra, мкм

100

80

63

50

40

32

25

20

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

 

Высота неровностей профиля по десяти точкам (Rz) определяется как сумма средних 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 и последующих выступов профиля;

      yvmi – глубина i-той наибольшей по глубине и последующих впадин профиля.

 

Числовые значения Rz по ГОСТ 2789-73 приведены в табл. 2. Жирным шрифтом выделены предпочтительные значения.

Таблица 2

Значения Rz и Rmax, мкм

1600

1250

1000

800

630

500

400

320

250

200

160

125

100

80

63

50

40

32

   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

 

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), который раньше называли «средний шаг неровностей по вершинам»), 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 отрезки bi;

bi – длина i -того отрезка, отсекаемого на заданном уровне сечения профиля р в 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, (%): 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90. Относительная опорная длина профиля tр задается в процентах от базовой длины l 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 не предусматривает обязательной связи между базовой длиной и определенными числовыми значениями параметров шероховатости. Однако в справочном приложении к ГОСТ 2789-73 приведены рекомендуемые соотношения базовой длины l и высотных параметров Ra, Rz, Rmax (табл. 3), которые разработаны на основе анализа их взаимосвязи для традиционных технологических процессов получения (обработки) поверхностей. К «нетрадиционным технологическим процессам» можно отнести такие, как тонкое пластическое деформирование (например, обкатывание или раскатывание шарами, роликами, виброобкатывание, алмазное выглаживание), а также обработку технологическими лазерами, электроэрозионную обработку, химическое фрезерование и др.

Таблица 3

Соотношения базовой длины l и 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

8

 

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 табл. 4.

Таблица 3

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

Перпендикулярное

Перекрещивающееся

Произвольное

Кругообразное

Радиальное

Точечное

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

C

R

P

Следы параллельны линии, на которую указывает знак

Следы перпендикулярны линии, на которую указывает знак

 

Следы перекрещиваются под наклоном к линии, на которую указывает знак

 

Следы хаотичные, без определенного направления

 

Следы примерно кругообразные по отношению к центру поверхности

 

Следы идут примерно по радиусу к центру поверхности

 

Следы в виде отдельных точек

Выбор параметров для нормирования шероховатости должен производится с учетом назначения поверхности и требуемых эксплуатационных свойств (табл. 4). В большинстве случаев конструкторы ограничиваются нормированием высотных параметров. Из высотных параметров шероховатости наиболее информативен параметр Ra, который и определен стандартом как предпочтительный.

Таблица 4

Эксплуатационные свойства поверхности и обеспечивающая их номенклатура параметров шероховатости

Эксплуатационное свойство поверхности

Параметры шероховатости и характеристики, определяющие эксплуатационное свойство

Износоустойчивость при всех видах трения

Виброустойчивость

Контактная жесткость

Прочность соединения

Прочность конструкций при циклических нагрузках

Герметичность соединений

Сопротивление в волноводах

Ra, (Rz), tр, направление неровностей

 

Ra, (Rz), Sm, S, направление неровностей

Ra, (Rz), tр

Ra, (Rz)

 

Rmax, Sm, S, направление неровностей

Ra, (Rz), Rmax, tр

Ra, Sm, S

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 – когда прямой контроль параметра Ra по техническим причинам не представляется возможным (например, для поверхностей, имеющих малые размеры или сложную конфигурацию).

При назначении параметров шероховатости поверхностей следует учитывать возможность их обеспечения при использовании рациональных методов обработки деталей (табл. 5).

Таблица 5

Требования к шероховатости поверхности в зависимости от допусков размера и формы

Допуск размера по квалитетам

Допуск формы, % от допуска размера

Значения Ra в интервалах номинальных размеров, не более

(размеры в мм, Ra в мкм)

до18

свыше 18 до 50

свыше50 до 120

свыше120 до 500

IT3

100

60

40

0,2

0,1

  0,05

0,4

0,2

0,1

0,4

0,2

0,1

0,8

0,4

0,2

IT4

100

60

40

0,4

0,2

0,1

0,8

0,4

0,2

0,8

0,4

0,2

1,6

0,8

0,4

IT5

100

60

40

0,4

0,2

0,1

0,8

0,4

0,2

1,6

0,8

0,4

1,6

0,8

0,4

IT6

100

60

40

0,8

0,4

0,2

1,6

0,8

0,4

1,6

0,8

0,4

3,2

1,6

0,8

IT7

100

60

40

1,6

0,8

0,4

3,2

1,6

0,8

3,2

1,6

0,8

3,2

3,2

1,6

IT8

100

60

40

1,6

0,8

0,4

3,2

1,6

0,8

3,2

3,2

1,6

3,2

3,2

1,6

IT9

100 и 60

40

25

3,2

1,6

0,8

3,2

3,2

1,6

6,3

3,2

1,6

6,3

6,3

3,2

IT10

100 и 60

40

25

3,2

1,6

0,8

6,3

3,2

1,6

6,3

3,2

1,6

6,3

6,3

3,2

IT11

100 и 60

40

25

6,3

3,2

1,6

6,3

3,2

1,6

12,5

6,3

3,2

12,5

6,3

3,2

IT12 и IT13

100 и 60

40

12,5

6,3

12,5

6,3

          25

12,5

          25

12,5

IT14 и IT15

100 и 60

40

12,5

12,5

25

12,5

          50

          25

          50

          25

IT16 и IT17

100 и 60

40

    25

    25

        50

        25

        100

          50

        100

          50

ПРИМЕЧАНИЕ. Если относительный допуск формы меньше значений, указанных в таблице,  то значения Ra следует назначать не более 0,15Тф (Тф – допуск формы).

Если необходимо ограничить отклонения формы и расположения поверхностей (ужесточить их по сравнению с ограничениями, накладываемыми допусками размеров), то соответственно должны быть ограничены и высотные параметры шероховатости 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 табл. 6.

Таблица 6

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

7

Долбление

черновое

25…50

14, 15

чистовое

3,2…12,5

12, 13

11

Фрезерование цилиндрической фрезой

черновое

25…50

12…14 (11)

 

чистовое

3,2…6,3

11 (10)

тонкое

1,6

8, 9

6, 7

Фрезерование торцевой фрезой

черновое

6,3…12,5

12…14 (11)

 

чистовое

3,2…6,3 (1,6)

11

10

тонкое

(0,8)…1,6

8, 9

6, 7

Фрезерование скоростное

черновое

3,2

12…14

11

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

6

тонкое (алмазное)

0,4…0,8 (0,2)

6

5

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

7

Обтачивание скоростное

(0,4)…1,6

11

8,9

 

Сверление

до 15 мм

6,3…12,5

12…14

10, 11

свыше 15 мм

 

12…14

10, 11

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

7

тонкое (алмазное)

0,4..0,8 (0,2)

7

6

Скоростное растачивание

0,4…1,6

8

7

 

Развертывание

получистовое

6,3…12,5

9, 10

8

чистовое

1,6…3,2

7, 8

 

тонкое

(0,4)…0,8

7

6

 

Протягивание

получистовое

6,3

8, 9

 

чистовое

0,8…3,2

7, 8

отделочное

0,2…0,4

7

6

Зенкование плоское с направлением

6,3…12,5

Зенкование угловое

3,2…6,3

Продолжение таблицы 6

Вид обработки

Значение параметра Ra, мкм

Квалитеты

экономические

достижимые

 

Шабрение

грубое

1,6…6.3

11

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

6

тонкое

0,2..0,4 (0,1)

5

Выше 5-го

Требования к шероховатости поверхности устанавливают путем назначения параметров шероховатости (одного или нескольких), числовых значений выбранных параметров и базовых длин, на которых происходит определение этих параметров. Если нет необходимости, требования к шероховатости поверхности не устанавливаются, и шероховатость такой поверхности контролю не подлежит.

ВОЛНИСТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ

Волнистость поверхности – совокупность периодически повторяющихся неровностей, у которых расстояние между соседними вершинами или впадинами превышает базовую длину l для имеющейся шероховатости поверхности. Волнистость измеряется на длине LW по профилограмме контролируемой поверхности (рис. 4).

Рис. 4. К оценке волнистости поверхности

При этом профилограмму фильтруют, исключая присутствие шероховатости и отклонения формы поверхности. Эта фильтрация может осуществляться механическим путем (использование щупа первичного преобразователя профилографа-профилометра соответствующего радиуса), либо электрическим путем с использованием набора соответствующих фильтров, пропускающих синусоидальные сигналы определенных частот и амплитуд.

Волнистость нормируется тремя параметрами Wz, Wmax и SW. За базовую линию при их оценке принята средняя линия mW, которая определяется аналогично средней линии профиля шероховатости m.

Длина линии измерения LW  должна быть не менее пяти значений шага самой большой волны.

Высота волнистости Wz – среднее арифметическое значение пяти наибольших высот волн

где Wi – высота волны.

Высоту волнистости определяют либо на длине линии измерения волнистости LW, либо на пяти отдельных участках lWi. Если измерения высот волн выполняют на «разорванных» участках, сумма длин этих пяти участков должна быть равна полной длине линии измерения волнистости LW.

Предельные значения Wz должны выбираться из ряда 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25, 50, 50, 100, 200 мкм.

Наибольшая высота волнистости Wmax – самая высокая волна из пяти рассматриваемых.

Средний шаг волнистости SW – среднее арифметическое значение длин отрезков средней линии, отсекаемых однотипными (четными или нечетными) точками  пересечения профиля волнистости со средней линией в пределах полной длины линии измерения волнистости LW