9 Измерение шероховатости поверхности

Основные понятия и определения

В процессе любого способа обработки деталей, особенно со снятием материала режущим инструментом, невозможно получить идеально ровную поверхность. В результате вибраций, неровностей обрабатываемого инструмента, неоднородности материала заго­товки, непостоянства скорости съема материала,  неравномерности подачи инструмента  и  других факторов на обрабатываемой поверхности остаются неровности, которые назы­вают шероховатостью (раньше называли «чистотой поверхности»).

Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, рассматриваемых на определенной длине (рис. 9.1).  Из   определения видно, что неровности поверхности называются   шероховатостью и определяют их на длине, а не на поверхности и даже не на всей длине, а на «определенной» длине. Объясняется это прежде всего удобством измерения особенно методом «ощупыванием»   измеряемой поверхности, что лучше всего сделать по линии, а не по площади. Ограничение участка измерения «определенной» длиной, т.е. размеров этой длины объясняется неоднородностью шероховатости на одной поверхности детали даже одновременно обработанной, поэтому приходится оценивать ее по участкам. А кроме того, этим приемом исключаются  из измерения отклонения формы поверхности.

Линия, на которой оценивается шероховатость, называется базовой.

рофильРис. 9.1  Профиль поверхностных неровностей

Базовой называется линия заданной геометрической формы, определенным образом проведенная относительно профиля и служащая для оценки геометрических параметров поверхности. Поверхность, для которой нормируется шероховатость, как бы рассекают плоскостью, перпендикулярной этой поверхности, и получают профиль, в котором проводят линию,  эквидистантную номинальному профилю поверхности. Так, если рассекается   плоскость, то базовая линия будет прямой, если рассекается поверхность сферы, то базовая линия будет в виде окружности. Из этой базовой линии выделяются участки, на которых определяется шероховатость.

Базовая длина l — длина базовой линии, используемой для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности, и для количественного определения ее параметров (рис. 9.1).

Таким образом, поверхностные неровности (шероховатости) оцениваются  по линии и на определенной  длине. В зависимо от вида неровностей берется разная   длина  для   количественной оценки шероховатости. У нас в стране и в большинстве стран  за базовую линию принято средняя линия профиля.

Средней линией профиля. Так называется базовая линия, имею­щая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально.

Необходимость нормировать и измерять шероховатость отдель­но от размера объясняется тем, что большие поверхностные неровности влияют на величину усилия соединений посадок с натягом, приводят к быстрому износу в посадках с зазором. Поверхностные неровности влияют на качество электрических и тепловых контактов, герметичность соединений, отражение лучей, точность измере­ния, эрозионную стойкость, долговечность и т.п.

 Нормируемые параметры шероховатости

Известно свыше 30 различных параметров для оценки шероховатости. И все они в основном задаются исходя из геомет­рического представления поверхностных неровностей, т.е. их про­фильного метода. Как правило, эти параметры являются усредненными.

Согласно ГОСТ 2789—73 «Шероховатость поверхности. Термины и определения.» принято шесть параметров в качестве критериев для оценки ше­роховатости, из которых три характеризуют высоту неровности (вертикальные параметры) и три — шаговые размеры неровностей (горизонтальные параметры).

Вертикальные параметры:

Ra — среднее арифметическое отклонение профиля;

Rz — высота неровностей профиля по десяти точкам;

 Rmax — наибольшая высота неровностей профиля.

      Горизонтальные параметры:

   Sm — средний шаг неровностей;

   S —средний шаг местных выступов профиля;

    tp — относительная опорная длина профиля.

    Средним арифметическим отклонением профиля Ra называется среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины: Ra

 или приближенно  Rz

Нормируется величина Ra от 0,008 до 100 мкм.

Высотой неровностей профиля по десяти точкам Rz называется cумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших высту­пов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины: Rz-1

где ypmi — высота i-гo наибольшего выступа профиля; yumi — глубииа i-й наибольшей впадины профиля.

Нормируется величина Rz от 0,025 до 1000 мкм.

    Наибольшей высотой неровностей профиля Rmax yазываетеи расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины.

Нормируется величина Rmax от 0,025 до 1000 мкм.

Средним шагом неровностей профиля Sm называется среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины:

   Sm =  Sm1 + Sm2+ . . . + Smn

                                      п

Другими словами, под средним шагом неровностей понимается среднее арифметическое   значение длин отрезков средней линии, пересекающих   профиль в трех соседних точках и ограниченных  двумя крайними точками.

Нормируется величина Sm от 0,002 до 12,5 мм.

Средним шагом местных выступов профиля S называется среднее значение шага местных выступов профиля в пределах базовой длины:

S =  S1 + S2 + . . . + Sn

                              п

Другими словами, под этим параметром понимается среднее  арифметическое значение длины отрезков средней линии между проекциями на нее двух наивысших точек соседних выступов профиля.

Нормируется величина S от 0,002 до 12,5 мм.

Относительной опорной длиной профиля tp называется отиошение сумм длин отрезков в пределах базовой длины, отсекаемых на заданном уровне р в материале профиля линии, эквидистантной средней линии, к базовой длине:

tp =[ (b1.+ b1 +………. b1)/p] •100% .

Нормируется величина tp от 10 до 90 %.

Значение р — уровень сечения профиля задается в процентах от Rmax величинами от 5 до 90%.

Если указано, что t30 60 %, то это означает, что при отсечении профиля поверхностных неровностей, отступая от вершины на 30% от Rmax не менее 60% сечения должно проходить по материалу и не более 40 % по воздуху.

В зависимости от назначения детали на чертеже указывается обычно   один вертикальный и один   горизонтальный параметр. Наиболее часто в качестве параметра используются Ra и Rz без указания горизонтальных параметров. В    большинстве случаев  этих параметров вполне достаточно.

При нормировании шероховатости поверхности предпочтительным является параметр Ra, который более информативно, чем Rz и Rmax, характеризует неровности профиля, Параметры Rz и Rmax, нормируют в тех случаях, когда по функциональным требованиям необходимо ограничить полную высоту неровностей профиля, а также когда прямой контроль параметра с помощью профилометров или образцов сравнения не представляется возможным, например для поверхностей, имеющих малые размеры или сложную конфигурацию (режущие кромки инструментов, детали часов и др.).

Для ответственных поверхностей проводится нормирование не только высотных параметров, но и шаговых Sm, S и параметра tp, так как они обеспечивают некоторые функциональные свойства деталей и соединений (табл. 9.1).

 

Таблица 9.1. Эксплуатационные свойства поверхности и обеспечивающая их номенклатура параметров шероховатости

. Эксплуатационное

свойство поверхности

Параметры шероховат

Износоустойчивость при всех видах трения

Ra (Rz), направление неровностей

Виброустойчивость

Ra (Rz), Sm, S, направление неровностей

Контактная жесткость Ra (Rz ), tp
Прочность соединения Ra (Rz )
Прочность конструкции при циклических нагрузках Rmax, Sm, S, направлениенеровностей

 

Герметичность соединений Ra (Rz), Rmax, tp

 

 

Параметр tp содержит наибольшую информацию о высотных свойствах профиля (комплексно характеризует высоту и форму неровностей профиля) и позволяет судить о фактической площади контакта при контактировании поверхностей на заданном уровне сечения p.

В дополнении к количественным параметрам в некоторых случаях целесообразно нормировать направление неровностей, например, в связи с направлением относительного перемещения трущихся сопряжённых поверхностей или струи жидкости и газа относительно поверхности, а также для обеспече-ния необходимой виброустойчивости и прочности при циклических нагрузках.

 

 

Правильное решение, принимаемое при выборе параметров шероховатости поверхности деталей, а также при выборе методов обработки, обеспечивающих получение поверхностей с заданной шероховатостью, оказывает серьёзное влия-ние на качество конструкции, её технологичность и позволяет установить наибо-лее экономичные методы изготовления деталей.

Для обеспечении условий взаимозаменяемости назначение шероховатости сопряжённых поверхностей может производиться в зависимости от точности сопряжения (выбранной посадки ) и точности обработки (выбранного квалитета).

Следует отметить, что приведенный материал по шероховатости поверхности основан на ГОСТ 2789—73, который несколько устарел, так как за прошедшее время разработаны международные стандарты, содержащие много дополнительных параметров, характеризующих шероховатость и текстуру поверхности. Это объясняется несколькими причинами. Разработана большая группа высокоточых приборов, позволяющих измерять самые незначительные отклонения и дефекты поверхности.  Большинство современных приборов снабжены программным обеспечением, позволяющим вычислять различные параметры поверхности. И, наконец, самое важное. Проведены многочисленные эксперименты, показывающие связь исходной шероховатости поверхности и дальнейшие функциональные свойства соединений. Например, как известно, 20 лет назад двигатели внутреннего сгорания (и автомобили) требовали достаточно длительной обкатки после изготовления. В этом требовании было заложено некоторое противоречие. Цилиндр двигателя изготавливался хонингованием и его поверхность имела достаточно малую шероховатость. После обкатки его шероховатость сильно изменялась. Это относится ко всем посадкам скольжения, качения (шарикоподшипники) и т.п. Но эксперименты показали, что если параметры текстуры  и шероховатости поверхности назначать в соответствии с результатами серьезных экспериментов, полученные детали и соединения не требуют предварительной обкатки и долго сохраняют заданные параметры шероховатости.

 

 

 

В настоящее время в международной практике качество деталей определяется четырьмя группами показателей – допуски на размер, форму, расположение поверхностей и текстура поверхности. Текстура поверхности согласно ИСО 4287:1997 – это повторяющиеся и случайные отклонения от геометрической (номинальной) поверхности, которая формирует трехмерную топографию поверхности.

Текстура поверхности включает шероховатость, волнистость, направление неровностей, изъяны поверхности и отклонение формы в пределах ограниченной поверхности.

 

Особенно сильно выросла роль шероховатости поверхности, от которой зависят многие свойства деталей: адгезия, жесткость, износостойкость, светоотражение, маслоудержание, виброустойчивость, трение и др. Для описания функциональных свойств поверхности в зарубежной практике  используется более 100 параметров шероховатости и число их увеличивается. Международный стандарт ИСО 4287:1997 содержит 14 параметров шероховатости, последний американский стандарт – 16 параметров, а до недавнего времени в национальном стандарте США был только один параметр шероховатости Ra.

Кроме стандартизированных параметров используются различные специальные, например:

– семейство Rk параметров (ИСО 13565-2:1998) описывает требования к зеркалу цилиндра бензиновых двигателей внутреннего сгорания;

– семейство Rpq параметров (ИСО 13565-3:1998) – требования к зеркалу цилиндров дизельных двигателей.

– параметры для ультрачистых труб и т.д.

Хотя среднее арифметическое отклонение Ra и среднее квадратическое отклонение Rq широко распространены для оценки качества обработки поверхности, но они отражают только стабильность производственного процесса и мало говорят о том, как поверхность будет работать.

Опираясь на международный опыт и исследования, проводимые в Санкт-Петербургском политехническом университете  можно говорить о том, что для описания функционального назначения поверхности на чертеже детали должен быть указан комплекс параметров, состоящий минимум из трех: высотный, шаговый и гибридный. При этом некоторые параметры задаются в виде зоны с минимальным и максимальным значениями.

Все представления о современных международных стандартах и приборах для измерения шероховатости изложены в сравнительно недавно выпущенной и выложенной на сайте книге Табенкин А.Н., Тарасов С.Б., Степанов С.Н. «Шероховатость, волнистость, профиль»

 

Табенкин А.Н., Тарасов С.Б., Степанов С.Н. Шероховатость, волнистость, профиль. Международный опыт. Издательство Политехнического университета. Санкт-Петербург. 2007

С. Н. Степанов, С. Б. Тарасов.    Измерение и качество

Мальков О.В., Литвиненко А.В.  Измерение параметров шероховатости поверхности детали. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012