Параметры качества деталей — волнистость и шероховатость

Волнистость поверхности деталей

Волнистостью называется отклонение от прямолинейности или любой заданной формы поверхности, имеющее характер периодических возвышений и впадин с относительно большими шагами.

Допуск на волнистость назначается на максимальную высоту волны на длине измерения не менее 10 мм.

Разграничение неровностей на волнистость и шероховатость носит условный характер. Критерием разграничения является отношение длины шага к высоте волны l/H. Для волнистости l/H = 51…1000, а для шероховатости l/H = 0…50.

При обработке деталей волны на поверхности могут образовываться в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В этой связи различают продольную и поперечную волнистость. Возникает волнистость в результате вибраций системы ДИСП, неравномерности подачи инструмента, неправильной заправки шлифовального круга и др.

Износостойкость сопрягаемых деталей в значительной степени зависит от волнистости. Это главным образом связано с тем, что наличие волны приводит к уменьшению опорной поверхности детали (рис. 1). Износ поверхностей начинается с вершин микронеровностей на участках А (рис. 1,б), что и определяет интенсивность изнашивания.

Рис. 1. Сопряжение идеальной поверхности 1 с поверхностью 2, имеющей: а – только микронеровности; б – волнистость, покрытую микронеровностями

Значительный износ изменяет расчетные значения зазоров и натягов. Это, в свою очередь, приводит к возникновению динамических нагрузок. Поэтому волнистость рабочих поверхностей предопределяет высокий уровень вибрации, например в подшипниковых узлах, и, как следствие, их малый ресурс.

Волнистость можно рассматривать как отклонение формы второго порядка, а шероховатость – как отклонение формы третьего порядка (рис. 2).

Рис. 2. Схема отклонений формы в продольном сечении детали: h2 – бочкообразность; H2 – волнистость; H3 – шероховатость

Шероховатость поверхности деталей

Одной из важных геометрических характеристик детали, определяющих безотказность работы, является шероховатость поверхности. Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей на рассматриваемой поверхности с относительно малыми шагами, образующая микрорельеф поверхности. По профилю шероховатости на длине l базовой линии оценивают ее параметры. Отношение шага неровностей к их высоте для шероховатости не превышает 50. Шероховатость поверхности ухудшает качественные показатели работы деталей. В подвижных соединениях она приводит к преждевременному износу поверхностей, так как при работе деталей металлические гребешки срезаются и стираются, продукты износа смешиваются с маслом и ускоряют процесс изнашивания поверхностей. В неподвижных соединениях шероховатость ослабляет их статическую прочность. Кроме того, шероховатость ухудшает герметичность соединений и коррозионную стойкость изделий.

Для количественной оценки шероховатости в основном используют два высотных показателя: среднеарифметическое отклонение профиля Ra и средняя высота шероховатости Rz. Для их определения через кривую, описывающую профиль шероховатости, проводят прямую (рис. 3), которая делит выступы и впадины так, что сумма площадей выступов F_выст равна сумме площадей впадин F_вп. Такая прямая называется средней линией. Условие средней линии записывается формулой

(1.6)

Сумма расстояний от средней линии до отдельных точек профиля yi, делённая на их количество, называется средним арифметическим отклонением профиля Ra:

(1.7)

и обозначается

Вторым высотным параметром шероховатости является средняя высота шероховатости Rz, определяемая как среднее расстояние между пятью точками выступов и пятью точками впадин:

(1.8)

Отсчёт расстояний ведётся от линии, параллельной средней линии. Средняя высота шероховатости обозначается

Параметры Ra и Rz имеют размерность в микрометрах и назначаются из геометрического ряда со знаменателем 2. Высотные параметры Ra и Rz являются основными при оценке шероховатости. Параметр Rz рекомендуется применять для поверхностей с большой (Rz > 20 мкм) и малой (Rz < 0,08 мкм) шероховатостью, а параметр Ra – для поверхностей со средней шероховатостью (0,08 < Ra <20 мкм). Это определяется техническими возможностями существующих методов и приборов для оценки параметров шероховатости. Кроме параметров Ra и Rz большое распространение получили следующие показатели.

Рис. 3. Схема определения параметров шероховатости поверхности детали

1. 1. Rmax – наибольшая высота неровностей, равная расстоянию между линией выступов и линией впадин профиля в пределах базовой длины. Линии выступов и впадин профиля – это линии, параллельные средней линии, проходящие соответственно через высшую или низшую точку профиля в пределах длины.
   2. Средний шаг неровностей профиля Sm – среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины: (1.9) где n₂ – число шагов в пределах базовой длины; Smi – шаг неровностей профиля i-го участка, т. е. длина отрезка средней линии между одноименными точками профиля.
   3. Средний шаг местных выступов профиля S – среднее арифметическое значение шагов местных выступов профиля (по вершинам) в пределах базовой длины: (1.10) где n₃ – число шагов неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины; Si – шаг местных выступов профиля, т. е. длина отрезка средней линии между проекциями на нее двух наивысших точек соседних выступов профиля.Шаговые параметры S и Sm определяют взаимное расположение одноименных точек неровностей, а также форму микропрофиля. С увеличением S и Sm при неизменных высотных параметрах Ra, Rz микропрофиль становится более пологим. По мере уменьшения разницы между S и Sm профиль неровностей становится более однородным, т. е. регулярным.
   4. Относительная опорная длина профиля tp – это отношение опорной длины профиля lp к базовой длине l (%): (1.11) где lp – опорная длина профиля, которая определяется суммой длин отрезков, отсекаемых на заданном уровне р выступов профиля линией, параллельной средней линии в пределах базовой длины: (1.12) где Bi – длина отрезка, отсекаемого на выступе профиля; n4 – число отсекаемых выступов профиля.

Рис. 4. Кривые опорных линий профилей: а – жесткого; б – средней жесткости; в – малой жесткости

Уровнем сечения профиля р называется относительное (в %) расстояние между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль параллельно линии выступов. Числовые значения относительной опорной длины профиля tp выбираются из ряда: 10, 15, 20, 25,

30, 40, 50, 60, 70, 80, 90%, а значения уровня сечения профиля р из ряда: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90% от Rmax. Параметр tp дает наиболее полное представление о форме неровностей, степени заполнения профиля металлом и его жесткости (рис. 4).

Перечисленный комплекс параметров шероховатости позволяет охарактеризовать высоту, шаг и форму микрорельефа. При одинаковых высотных параметрах микрорельеф может иметь различные форму, шаг и жесткость (рис. 5), следовательно, может оказывать различное влияние на эксплуатационные свойства детали.

Рис. 5. Микропрофили шероховатой поверхности детали: а – малой жесткости; б – средней жесткости; в – жесткий

На эксплуатационные свойства поверхности детали помимо указанных высотных и шаговых параметров микропрофиля оказывают влияние также радиусы закругления выступов r_в и впадин r_вп неровностей, углы наклона их боковых сторон к средней линии β и расстояние от линии выступов до средней линии Rp. Эти показатели, в некоторой своей части отражаемые соотношением высотных и шаговых параметров микропрофиля, оказывают существенное влияние на характер контактного взаимодействия сопряженных поверхностей деталей. Так, износостойкость зависит от высоты и формы микронеровностей, радиуса закругления их вершин; коррозионная стойкость зависит от высоты микронеровностей, радиусов закругления впадин, среднего шага неровностей микропрофиля; контактная жёсткость зависит от относительной опорной длины микропрофиля поверхности, радиуса закругления вершин, шага неровностей профиля, угла наклона боковых сторон микронеровностей и т. д.

Оценка шероховатости поверхности может осуществляться качественными и количественными методами. Качественные методы оценки основаны на сравнении обработанной поверхности с образцами шероховатости. Контроль шероховатости путем сравнения со стандартными образцами или аттестованной деталью широко используется в ремонтном производстве. Количественные методы основаны на измерении микронеровностей специальными приборами. Наибольшее распространение для определения шероховатости поверхности получили щуповые приборы, работающие по методу ощупывания поверхности алмазной иглой. К этой группе приборов относятся профилометры, непосредственно показывающие среднее арифметическое отклонение профиля Ra, и профилографы, записывающие профиль поверхности. Отечественной промышленностью выпускаются профилометры-профилографы моделей 201; 202; 280; 171311, а также профилометры моделей 253, 283, 170622, которые позволяют измерять параметр шероховатости Ra до 0,02…0,04 мкм.

Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что классов чистоты поверхности в настоящее время не существует. До 1973 года шероховатости обозначались классами чистоты от 1 до 14. Причём первый класс был самым грубым. Такое нормирование противоречило общепринятым понятиям о «первоклассной» чистоте. Поэтому до 1973 года понятие «класс чистоты» не применялось в нормативной документации, хотя и существовало. С 1977 года по стандарту СТ СЭВ 678-77 понятия «класс чистоты» не существует вовсе. Можно ожидать, что через несколько лет оно появится вновь, но в противоположном направлении. Первый класс чистоты будет соответствовать «первоклассной» чистоте, т. е. оценка точности чистоты будет идти в направлении от «лучшего к худшему».

Ориентировочно шероховатость в зависимости от точности удобно назначать по формуле

(1.13)

где IT – номер квалитета.

Расчёты по этой формуле приведены в табл. 1.

Таблица 1. Шероховатость поверхности, назначаемая в зависимости от точности обработки

Параметры шероховатости оказывают влияние на все основные эксплуатационные характеристики, определяющие долговечность и надёжность деталей машин.

Обеспечить необходимую шероховатость рабочих поверхностей можно различными видами механической обработки (табл. 2).

Таблица 2. Шероховатость поверхности, достигаемая при различных видах механической обработки

В табл. 2 указаны следующие методы обработки: 1 – черновая обработка резцами и фрезами; 2 – чистовая обработка резцами; 3 – чистовая обработка фрезами; 4 – развёртывание; 5 – черновое шлифование; 6 – чистое шлифование; 7 – притирка; 8 – полирование; 9 – доводка. А также параметры: l – базовая длина; Ra – среднее арифметическое отклонение профиля; Rz – средняя высота неровностей.