9 Измерение структуры (текстуры) 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  в широком смысле называют текстурой (структурой)   поверхности. В соответствие с ISO 4287-1998 (ГОСТ Р ИСО  4287-2015)  Текстура поверхности – это повторяющиеся  случайные отклонения от геометрической (номинальной) поверхности, которые формируют  трехмерную топографию поверхности. Текстура поверхности включает в себя отклонение формы, дефекты поверхности, направление  неровностей, волнистость и шероховатость в пределах оценки длины оценки профиля.

Для  измерения шероховатости используют бесконтактные (оптические) и контактные щуповые приборы.

В России действуют одновременно и сильно устаревшие советские стандарты [5-8],  и международные стандаты [8-15]. Тоже самое с методами измерений и измерительными приборами. Применяют устаревшие советские приборы и новые импортные.

В отличие от стандартов ISO российские стандарты не регламентируют такие параметры как волнистость и дефекты  поверхности.На практике границу между различными порядками отклонений поверхности, условно устанавливают по значению отношений шага неровностей (SW) к их высоте (WZ). Если:

– (SW/ WZ) < 40, то отклонение считается шероховатостью;

– 40 < (SW/ WZ) <1000 – волнистостью;

– 1000 < (SW/ WZ) – отклонением формы.

В измерительных приборах контактного типа для отделения шероховатости от волнистости и изменений формы используют специальные фильтры для отделения длинноволновых и коротковолновых компонентов профиля (рис. 9.1):

– фильтр, отделющий шероховатость от шума (случайных отклонений шероховатости);

–  фильтр, отделяющий шероховатости от волнистости;

– фильтр, отделяющий волнистость от тклонений формы.

ТекстураРис.  9.1 Элементы текстуры 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 «ощупывания»   измеряемой поверхности, что лучше всего сделать по линии, а не по площади. Ограничение участка измерения «определенной» длиной, т.е. размером 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.

В отечественных и международных стандартах и на практие используются следующие обозначения параметров шероховатости:

R – параметры шероховатости профиля;

W – параметры волнистости профиля;

P – параметры формы профиля;

L – длина оценки профиля;

In – базовая длина:

       Yon – высота выступа профиля;

Smn  – шаг неровностей профиля;

    bn  – длина отрезка, отсканированного на заданном уровне профиля, эквидистатантного средней линии.

 

Из всех указанных параметров шероховатости чаще всего применяют Ra и Rz. Их всегда ставят на чертежах в числовой форме. При этом параметр Ra   применяют значительно чаще, потому что он опредежяется по большему числу точек профиля.Однако Ra не воспреимчив к крайним значениям высоты и глубины профиля, н Ra  не позволяет определить тип шероховатости  и служит для показания износа инструмента.  Rz более чувствителен, чем Ra, к изменению качества поверхности, так как в нем учитывается большое количество высот профиля.

Определение  Ra контактным методом на грубых поверхностях может привести к поломке тонкой алмазной иглы, а на очень гладких поверхностях имеет низкую чувствительность, так как радиус иглы не может ощупать мелкие неровности. Поэтому рекомендуется применять  Rz при значениях высот неровностей 320, 10, 1,0, 0,1 и 0,025 мкм, а в остальных случаях применять Ra.

Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, рассматриваемых на определенной длине (рис. 9.2).  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. 9.2  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 (амплитудные) параметры:

Ra — среднее арифметическое отклонение профиля;

Rz — высота неровностей профиля по десяти точкам;

 Rmax — наибольшая высота неровностей профиля.

      Горизонтальные (шаговые) 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.

Дефекты поверхности

Дефекты поверхности являются одним из компонентов текстуры поверхности, но не относится ни к шероховатости, ни к волнистости. В соответствии с …ISO 8785-1999 регламентируются следующие параметры дефектов поверхности:

SIML – длина дефекта (наибольший размер) поверхности;

SIMw – ширина дефекта (наибольший размер) поверхности;

SIMsd – глубина единичного дефекта (наибольший размер) поверхности;

SIMsh- высота  единичного дефекта (наибольший размер) поверхности;

SIMa – площадь (наибольший размер) единичного двфекта  поверхности;

SIMt – общая площадь дефекта  поверхности, т.е. сумма всех дефектов;

SIMn – число дефектов на нормированной площади поверхности;

SIMn/A – число дефектов на номированной площади оценки.

Отдельные параметры дефектов можно контролировать контактным (щуповым) методом, но для комплексного контроля дефектов поверхности удобно применять, например, микроскопы.

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 и отечественные стандарты, содержащие много дополнительных параметров, характеризующих шероховатость и текстуру поверхности. Это объясняется несколькими причинами. Разработана большая группа высокоточных 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»

 

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

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

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

4  ГОСТ Р ИСО  4287-2015. Геометрические характеристики изделий (GPS). Структура поверхности. Профильный метод. Термины, определения и параметры структуры поверхности5  ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности.Параметры и характеристики

5  ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности.Параметры и характеристики

ГОСТ 25142 – 82 Шероховатость поверхности. Термины и определения

7  ГОСТ 27964 – 88.  Измерение параметров шероховатости . Термины и определения

8      ГОСТ 19300-86 Средства измерений шероховатости поверхности профильным методом. Профилографы-профилометры контактные. Типы и основные параметры

9      ISO 12085: 1996  Геометрические характеристики изделия (GPS) – Текстура поверхности: Профильный метод – Параметры

10  ISO 3274: 1996 Геометрические характеристики изделия (GPS) – Текстура поверхности: Профильный метод – Номинальные характеристики контактных (щуповыхо) приборов

11    ISO 4288: 1996  Геометрические характеристики изделия (GPS) – Текстура поверхности: Метод профиля – Правила и процедуры для оценки текстуры поверхности

12    ISO 11562: 1996 Геометрические характеизделияристики изделия (GPS) – Текстура поверхности: Профильный метод – Метрологические характеристики фильтров с правильной фазой

13    ISO 12085: 1996  Геометрические характеристики изделия (GPS) – Текстура поверхности: Профильный метод, – Параметры

 

14    ISO 12179: 2000  Геометрические характеристики продукта (GPS) – Текстура поверхности: Профильный метод – Калибровка контактных (щуповых) приборов

 

 

     15  ISO 8785: 1998 Геометрическая спецификация продукции (GPS) – Недостатки поверхности – Термины, определения и параметры