Шероховатость поверхности деталей машин

ЛЕКЦИЯ № 13 Шероховатость поверхности деталей машин ПЛАН ЛЕКЦИИ 13.1 Высотные и шаговые параметры шероховатости поверхности 13.2 Нормирование допусков шероховатости поверхности на машиностроительных чертежах 13.3 Контроль шероховатости поверхности 13.1 Высотные и шаговые параметры шероховатости поверхности В процессе изготовления и эксплуатации детали на ее поверхности возникают неровности, которые оказывают существенное влияние на изменение эксплуатационных показателей изделия. С неровностью поверхности связана выносливость и долговечность таких деталей как шлицевые валы, кольца и тела подшипников качения, резьбовые шпильки и т.д. Именно этим и вызвана необходимость нормировать, технологически обеспечивать и контролировать неровности поверхности, к которым относятся шероховатость и волнистость. Шероховатость поверхности представляет собой след режущей кромки инструмента в материале детали, искаженный пластическими деформациями, свойственными процессу резания, в результате чего на обработанных поверхностях остаются неровности в виде выступов, впадин или гребешков различной формы и размеров. Совокупность неровностей, с относительно малыми шагами, выделенную, например, с помощью базовой длины, называют шероховатостью поверхности. Параметры шероховатости определяются на базовой длине l (рис. 79). Базовая длина l -это длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности. Фактически она является шаговой границей между шероховатостью и другими видами неровностей. Числовые значения базовой длины выбираются из ряда 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8 и 25 мм. Эти значения вбираются в зависимости от ожидаемой шероховатости - примерно так, чтобы можно было охватить не менее 5 выступов и 5 впадин. Рисунок 79 - Основные параметры шероховатости поверхности Согласно ГОСТ 2789-73 для выделения неровностей и количественной оценки шероховатости используют среднюю линию m. Средняя линия имеет номинальную форму профиля и проводится так, что в пределах базовой длины сумма квадратов расстояний точек профиля до этой линии была бы минимальна, т.е. Ориентировочно эта зависимость показывает, что сумма площадей выступов над средней линией равна сумме площадей впадин под линией. ГОСТ регламентирует 6 параметров шероховатости: - 3 высотных, измеряемых по нормали к средней линии и 3 шаговых, измеряемых вдоль средней линии. 1 Высотные параметры Ra - среднее арифметическое отклонение профиля, представляющее собой среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины, т.е. или где x - абсцисса профиля, отсчитываемая по базовой длине; y(x) - функция, описывающая профиль; yi - ординаты отсчитываемых точек; n - число точек. Эта формула реализуется в своем точном виде интегральным устройством профилометра - прибора для измерения шероховатости. Среднее арифметическое отклонение профиля - это характеристика средней высоты всех неровностей. Rz - высота неровностей профиля по 10 точкам. Определяется как сумма средних абсолютных пяти наибольших выступов профиля и пяти наибольших глубин впадин в пределах базовой длины. Выступ и впадина есть часть профиля, соединяющая две соседние точки пересечения его со средней линией профиля, направленная соответственно из тела и в тело. Высота неровностей профиля по 10 точкам - это характеристика средней высоты наибольших неровностей. Можно принимать Rz (4...5,5) Ra. Rmax - наибольшая высота неровностей профиля, определяемая как расстояние между линией выступов профиля и линией впадин, проходящих соответственно через высшую и низшую точки профиля в пределах базовой длины. 2 Шаговые параметры Sm - средний шаг неровностей по средней линии. где n- число шагов в пределах базовой длины; Smi - шаг неровностей по средней линии S - средний шаг местных неровностей по вершинам, т.е. шаг местных выступов профиля. tp - относительная опорная длина, определяемая в процентах по формуле: где bi - длина отрезков, отсекаемых в материале выступов линией, проведенной на расстоянии p от линии выступов. Расстояние p называется уровнем сечения и выбирается в пределах от 5% до 90% от Rmax Перечисленные параметры шероховатости выбираются в зависимости от эксплуатационных свойств поверхности. Предпочтительно даже для самых грубых поверхностей нормировать параметр Ra,, который более полно чем Rz или Rmax, отражает отклонения профиля, поскольку определяется по достаточно большему числу точек профиля. Параметр Ra, наиболее удобен для измерения профилометрами и получил распространение в зарубежной документации. Параметры Rz или Rmax нормируют в тех случаях, когда по функциональным требованиям необходимо ограничить полную высоту неровностей профиля или шероховатость рыхлого поверхностного слоя, а также, когда прямой контроль параметра Ra с помощью профилометра или образцов сравнения не представляется возможным ввиду малых размеров поверхностей или сложной их конфигурации. Параметр tp комплексно характеризует высоту и форму неровностей, позволяет судить о фактической площадке контакта шероховатых поверхностей. С ним связаны такие важные эксплуатационные свойства как износоустойчивость трущихся поверхностей, герметичность соединений и т.д. При Ra = const 13.2 Обозначение шероховатости поверхности Шероховатость поверхности обозначают на чертеже для всех выполняемых по данному чертежу поверхностей изделия, независимо от методов их образования, кроме поверхностей, шероховатость которых не обусловлена требованиями конструкции Структура обозначения шероховатости поверхности приведена на рис. 80. При применении знака без указания параметра и способа обработки его изображают без полки. Рисунок 80 - Структура обозначения шероховатости поверхности В соответствии с ГОСТ 2.309-73 для обозначения шероховатости поверхности используют один из следующих знаков: Ставится в том случае, когда вид обработки поверхности конструктором не оговаривается. Этот знак является предпочтительным Ставится в тех случаях, когда заданная поверхность получена путем удаления слоя материала (точением, фрезерованием, сверлением, шлифованием и т.д.) Ставится в тех случаях, когда заданная поверхность достигается без удаления слоя материала (литьем, ковкой, штамповкой, прокатом и т.д.) Высота h должна быть приблизительно равна применяемой на чертеже высоте цифр размерных чисел. Высота Н равна (1,5…5) h. Толщина линий знаков должна быть приблизительно равна половине толщины сплошной линии, применяемой на чертеже. Значение параметра шероховатости по ГОСТ 2789-73 указывают в обозначении шероховатости после соответствующего символа, например: Rа0.4, Rmax6.3; Sm0.63; t5070; S0,032; Rz50 В примере t5070 указана относительная опорная длина профиля tp = 70 % при уровне сечения профиля р = 50 %, При указании наибольшего значения параметра шероховатости в обозначении приводят параметр шероховатости без предельных отклонений, например: При указании наименьшего значения параметра шероховатости после обозначения параметра следует указывать «min», например: При указании диапазона значений параметра шероховатости поверхности в обозначении шероховатости приводят пределы значений параметра, размещая их в две строки, например: В верхней строке приводят значение параметра, соответствующее более грубой шероховатости. При указании номинального значения параметра шероховатости поверхности в обозначении приводят это значение с предельными отклонениями по ГОСТ 2789-73, например: Ra 1 + 20 %;  Rz 100 –10 % ;  Sm 0,63 +20 %;  t50 70  40 % и т. п. При указании двух и более параметров шероховатости поверхности в обозначении шероховатости значения параметров записывают сверху вниз в следующем порядке: • параметр высоты неровностей профиля, • параметр шага неровностей профиля, • относительная опорная длина профиля. При нормировании требований к шероховатости поверхности параметрами Ra, Rz, Rmax базовую длину в обозначении шероховатости не приводят, если она соответствует ГОСТ 2789-73 для выбранного значения параметра шероховатости. Условные обозначения направления неровностей должны соответствовать приведенным в таблице 1. Условные обозначения направления неровностей приводят на чертеже при необходимости. Таблица 1 Типы направления неровностей Обозначение Вид обработки поверхности указывают в обозначении шероховатости только в случаях, когда он является единственным, применимым для получения требуемого качества поверхности. Допускается применять упрощенное обозначение шероховатости поверхностей с разъяснением его в технических требованиях чертежа по примеру: Если направления измерения шероховатости должно отличатся от предусмотренного ГОСТ 2789-73, его указывают на чертеже по примеру: 13.3 Правила нанесения шероховатости поверхностей на чертежах Обозначения шероховатости поверхностей на изображении изделия располагают на линиях контура, выносных линиях (по возможности ближе к размерной линии) или на полках линий-выносок. Допускается при недостатке места располагать обозначения шероховатости на размерных линиях или   на их продолжениях, а также разрывать выносную линию (рис. 81). Рисунок 81 - Примеры расположения обозначения шероховатости На линии невидимого контура допускается наносить обозначение шероховатости только в том случаях, когда от этой линии нанесен размер. Обозначение шероховатости поверхности, в которых знак имеет полку, располагают относительно основной надписи чертежа так, как показано на рисунках 82 и 83. При расположении поверхности в заштрихованной зоне (рис.82, 83) обозначение наносят только на полке выноске. Рисунок 82 - Обозначение шероховатости поверхности знаком с полкой относительно основной надписи Рисунок 83 - Обозначение шероховатости поверхности знаком с полкой относительно основной надписи При обозначении изделия с разрывом обозначение шероховатости наносят только на одной части изображения, по возможности ближе к месту указания размеров (рис. 84). Рисунок 84 - Пример обозначения шероховатости поверхности При указании одинаковой шероховатости для всех поверхностей изделия обозначение шероховатости помещают в правом верхнем углу чертежа и на изображении не наносят. Размеры и толщина линий знака в обозначении шероховатости, вынесенном в правый верхний угол чертежа, должны быть приблизительно в 1,5 раза больше, чем на обозначения, нанесенных на изображении (рис. 85) Рисунок 85 - Указание шероховатости одинаковой для всех поверхностей изделия Обозначение  шероховатости,  одинаковой  для  части  поверхностей изделия, может быть помещено в правом верхнем углу чертежа (рис. 86, 87) вместе с условным обозначением. Это означает, что все поверхности, на которых на изображении не нанесены обозначения  шероховатости или знак, должны иметь шероховатость, указанную перед условным обозначением. Рисунок 86 - Указание шероховатости одинаковой для части поверхностей изделия  Рисунок 87 - Указание шероховатости когда большая часть поверхностей не обрабатывается по данному чертежу Размеры знака, взятого в скобки, должны быть одинаковыми с размерами знаков, нанесенных на изображении. 13.4 Параметры шероховатости типовых поверхностей деталей Для назначение параметров шероховатости в зависимости от назначения обрабатываемой поверхности детали можно использовать приведенные ниже таблицы 2, 3 и рис. 88. Таблица 2. Величина шероховатости обрабатываемой поверхности Примерный параметр шероховатости Ra, мкм Способы получения Примеры 100 Литые, прокатные и кованые поверхности, от которых требуется повышенная ровность Рукоятки переводных и тормозных рычагов, если по их назначению не требуется более чистая поверхность. Литые зубья шестерен. Свободные необработанные поверхности станин, клапанов, клинкетов, рам. Торцевые поверхности литых и штампованных шестерен 50 Обработка обдирочным резцом Торцевые поверхности грубо обработанных труб и фланцев, поверхности после обрезки прибылей в литых деталях, обдирка полуфабрикатов 25 Предварительная обработка резцом при точении и строгании. Грубое фрезерование Опорные поверхности крупных плит, рам, станков. Подошвы фундаментных рам, станин при постановке на бетон 12,5 Обточка резцом, сверление, фрезерование, зачистка драчевыми напильниками Отверстия из-под сверла диаметром больше 30 мм. Поверхности деталей, не соединяющиеся друг с другом, но требующие обработки. Торцевые поверхности шкивов 6,3 Обточка резцом, фрезой, зенкерами, сверлами Втулки, поверхности корпусов, клинкетов, клапанов и других деталей под прокладки, крышки сальников, поверхности малых отверстий из-под сверла. Торцевые поверхности тихоходных шестерен 3,2 Чистовая обработка резцом, фрезой. Зачистка личным напильником Посадочные поверхности диаметром свыше 50 мм, свободные поверхности валов средних оборотов. Рабочие поверхности шкивов при диаметре свыше 300 мм. Шпоночные пазы грубой пригонки. Поверхности чистых крепежных болтов. Шаровые поверхности ниппельных соединений. Канавки под уплотнительные резиновые кольца подвижных и неподвижных торцевых соединений. Радиусы скругления на силовых валах Поверхности осей для эксцентриков. Опорные плоскости реек 1,6 Чистовая обточка резцом, черновая развертка Поверхности направляющих в клинкетах и клапанах. Поверхности грундбукс. Отверстия для посадки втулок подшипников. Рабочие поверхности шкивов при диаметре менее 300 мм. Поверхности прямоугольной и трапецеидальной резьб. Поверхности канавок под поршневые кольца. Шпоночные пазы точной пригонки. Поверхности разъема герметичных соединений без прокладок или со шлифованными металлическими прокладками Наружные диаметры шлицевых соединений Отверстия пригоняемых и регулируемых соединений (вкладыши подшипников и др.) с допуском зазора - натяга 25-40 мкм. Цилиндры, работающие с резиновыми манжетами. Отверстия подшипников скольжения Трущиеся поверхности малонагруженных деталей 0,80 Шлифование, волочение, протягивание, чистовая развертка Поверхности подшипников и цапф тихоходных валов. Посадочные поверхности малых диаметров. Поверхности под посадку подшипников качения. Боковые поверхности поршней двигателей. Свободные поверхности быстроходных и тяжело нагруженных валов. Притираемые поверхности в герметичных соединениях. Поверхности зеркала цилиндров работающих с резиновыми манжетами. Торцевые поверхности поршневых колец при диаметре менее 240 мм. Валы в пригоняемых и регулируемых соединениях с допуском зазора-натяга 7-25 мкм. Трущиеся поверхности нагруженных деталей. Посадочные поверхности 2-го класса точности с длительным сохранением заданной посадки: оси эксцентриков, точные червяки, зуб-чатые колеса. Сопряженные поверхности бронзовых зубчатых колес. Рабочие шейки распределительных валов Штоки и шейки валов с уплотнениями 0,40 Чистовое шлифование, шабровка, грубая притирка Направляющие станков, плит, столов, салазок. Рабочие поверхности подшипников скольжения и вкладышей. Притертые поверхности клапанов, клиньев в клинкетах. Шейки валов: 1-го класса точности диаметром свыше 1 до 30 мм,2-го класса - свыше 1 до 10 мм.Валы с пригоняемыми и регулируемыми соединениями (шейки шпинделей, золотники) с допусками зазора-натяга 4-7 мкм. Трущиеся поверхности сильно нагруженных деталей. Цилиндры работающие с поршневыми кольцами 0,20 Тонкое шлифование, отделочное протягивание. Алмазная расточка Рабочие поверхности зубцов шлифованных шестерен, беговые дорожки шарикоподшипников. Поверхности цапф и шеек валов. Поверхности работающие на трение, от износа которых зависит точность работы механизма 0,100 Притирка, полирование Поверхность притертых клапанов двигателей. Поверхности цилиндров паровых машин и насосов. Валы в пригоняемых и регулируемых соединениях с допуском зазора-натяга 2,5-6,5 мкм. Отверстия в пригоняемых и регулируемых соединениях с допуском зазора-натяга до 2,5 мкм Рабочие шейки валов прецизионных быстроходных станков и механизмов 0,080 Чистовая притирка, чистовое полирование Поверхности цилиндров гидросистем. Поверхности резьбовых калибров. Зеркальные валики координатно-расточных станков и др. 0,025 Отделочная притирка, хонинг-процесс Поверхности цилиндров автомобилей, тракторов и др. двигателей внутреннего сгорания. Поверхности поршневых пальцев. Мерительные поверхности микрометров. Поверхности каналов стволов орудий. Поверхности цилиндров пневматического инструмента 0,012 Окончательный хонинг-процесс, чистовой суперфиниш Поверхности цилиндров авиамоторов. Поверхности предельных калибров и скоб 0,01 Тонкий суперфиниш Материальные поверхности концевых мер высшего класса Таблица 3.   Параметры шероховатости Rz  типовых поверхностей деталей Параметры шероховатости мкм Типовые поверхности деталей Rz =400 и Rz=200 Не рабочие контуры детали Rz=100 Отверстия на проход крепежных деталей Выточки, проточки Отверстия масленых каналов на силовых валах Разделка кромок под сварку Rz=50 Внутренний диаметр шлицевых соединений (не шлифованных) Свободные не сопрягаемые поверхности торцовые поверхности валов, муфт, втулок Rz=25 Торцевые поверхности под подшипники качения Поверхности втулок, колец, ступиц, прилегающих к другим поверхностям , но не являющиеся посадочными Рисунок 88 – Шероховатость и вид обработки поверхности 13.4 Контроль шероховатости поверхности Методы контроля шероховатости поверхности можно разделить на три основных вида: • количественная оценка в выбранном сечении; • суммарная количественная оценка на выбранном участке; • качественная оценка путем сравнения с образцами шероховатости. Количественная оценка шероховатости поверхности в выбранном сечении 1 Метод косых срезов Сущность этого метода заключается в том, что для получения шлифа исследуемый образец разрезают по определенному направлению. Затем срез доводят и полученный шлиф рассматривают в микроскоп. Для предохранения неровностей от разрушения при обработке шлифа поверхность образца покрывают слоем хрома, меди или никеля. Метод косых срезов не получил большого распространения, так как он сопровождается разрушением контролируемой детали. Однако этот метод можно с успехом использовать при проведении исследовательских работ. 2 Бесконтактные (оптические) методы Эти методы делятся на метод светового сечения и интерференционные методы. Метод светового сечения заключается в том, что одним микроскопом (проекционным) на исследуемую поверхность направляется под некоторым углом узкий пучок света, при этом на ней получается граница тени от непрозрачной шторки, введенной в часть светового пучка, падающего на поверхность (рис.89). Граница света и тени подобна профилю в сечении поверхности плоскостью, и по ее конфигурации можно судить о расположении, форме и размерах неровностей на испытуемой поверхности. Второй микроскоп (наблюдательный), расположенный под углом 90 относительно первого, служит для наблюдения полученного светового сечения поверхности. К приборам, действие которых основано на принципе светового сечения профиля поверхности относится микроскоп МИС-11. а б Рисунок 89 - Метод светового сечения: а - микропрофиль поверхности; б - картина, наблюдаемая в поле зрения окуляра визуального микроскопа Интерференционные методы. В интерференционных средствах измерения шероховатости поверхности используется интерференция двух или большего числа когерентных пучков лучей (вышедших из одной точки источника света, имеющих одинаковое направление колебаний, одинаковые частоты и постоянную разность фаз). Пучок световых лучей, вышедших из источника, разделяется и направляется различными путями к контролируемой поверхности. Отражаясь от нее, пучки света соединяются вновь и накладываясь друг на друга, создают интерференционные полосы, которые искривляются соответственно микронеровностям контролируемой поверхности. Измеряя величину искривления интерференционной полосы с помощью окулярного микрометра, рассчитывают шероховатость поверхности. Из всех интерференционных микроскопов наиболее удачной оказалась конструкция микроинтерферометра Линника типа МИИ-4. 3 Контактные (щуповые) методы Сущность метода состоит в том, что в качестве щупа используют острозаточенную иглу, приводимую в поступательное перемещение по определенной траектории. Ось иглы располагают по нормали к поверхности. Опускаясь во впадины, а затем поднимаясь на выступы во время движения ощупывающей головки относительно контролируемой поверхности, игла начинает колебаться относительно головки, повторяя по величине и форме огибаемый профиль. Колебания иглы с помощью индуктивного или электронного преобразователя преобразуются в сигналы, усиливаются и выдаются на показывающие приборы. К приборам, измеряющим величину шероховатости контактным методом, относятся профилометры и профилографы. Согласно стандарту к профилометрам относят такие приборы, которые непосредственно показывают величину шероховатости контролируемой поверхности по параметру Ra; к профилографам - приборы, записывающие профиль контролируемой поверхности в виде профилограммы. По профилограмме можно определить различные параметры шероховатости поверхности: Rа, Rz, Rmax, Sm, S, tp, Р. Суммарная количественная оценка шероховатости поверхности на выбранном участке 1 Пневматический метод Приборы, применяемые при этом методе основаны на принципе измерения расхода воздуха, приходящего через микронеровности поверхности. 2 Рефлектометрический метод Этот метод основан на использовании отражательной способности измеряемой поверхности. В зависимости от интенсивности светового потока, являющейся функцией шероховатости поверхности, в фотоэлементе возникает ток, который фиксируется соответствующим измерительным устройством. 3 Электрический (емкостный) метод Исследуемая поверхность 1 является одной обкладкой конденсатора; другой обкладкой служит пластина 2 прибора, на которую нанесен тонкий слой керамической массы, которая вместе с воздушной прослойкой между контролируемой поверхностью и пластиной является диэлектриком (рис.90). Величина воздушной прослойки, а следовательно, и емкость конденсатора, зависят от шероховатости поверхности. Оценка шероховатости поверхности методом сравнения Оценка шероховатости поверхности производится в цеховых условиях различными методами. Одним из наиболее распространенных является метод сравнений, Сущность этого метода заключается в сравнении контролируемой поверхности с поверхностью специально изготовленного эталона, называемого образцом шероховатости. Образцы шероховатости изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТ 9378-81. Они представляют собой металлические пластины (рис.91) с плоской или цилиндрической рабочей поверхностью размером 30  20 мм. Рабочая поверхность каждого образца обработана одним из следующих способов: наружным точением, внутренней расточкой, зенкерованием, развертыванием, строганием, торцевым или цилиндрическим фрезерованием, круглым, плоским, торцевым или внутренним шлифованием, полированием, доводкой. Различные режимы резания, применяемые при обработке рабочих поверхностей, обеспечивают получение образцов шероховатости поверхности от 4-го до 13-го классов. Рисунок 91 - Образцы шероховатости Сравнение поверхностей детали и образца производят визуально («на глаз») или на ощупь, проводя ногтем или ребром монеты поперек следов обработки. Надежные результаты контроля получаются только для поверхностей до 6-го класса. При проверке более чистых поверхностей используют различные оптические приборы. Применение лупы обеспечивает надежную оценку до 9-го класса. Применение микроскопов сравнения, у которых в поле зрения наблюдаются одновременно и контролируемая поверхность и поверхность образца, позволяет получить правильную оценку шероховатости поверхности до 11-го класса. При выборе средств измерения следует учитывать: • возможность измерения на приборе параметра, установленного при нормировании (на чертеже); • пределы измерения и величины допустимых значений параметра; • погрешность измерения; • конструктивные особенности деталей; • требуемую производительность контроля; • материал деталей и другие условия.