Точність та якість обробки поверхонь. ч.ІІ

5 Якість поверхонь деталей машин після механічної обробки і її значення

Реальна поверхня утворюється в процесі обробки деталі і на відміну від номінальної поверхні, зображеної на кресленні, має нерівності різної форми і висоти. В процесі механічної обробки від дії ріжучого інструменту на поверхні деталі залишаються гребінці і впадини, структура поверхні змінюється - в результаті пластичних деформацій виникають внутрішні напруги, утворюється наклеп, твердість поверхні підвищується. Степінь наклепу металу і глибина проникнень пластичних деформацій залежать від методу обробки і режиму різання. При підвищенні подачі і глибини різання товщина наклепаного шару збільшується, при підвищенні швидкості різання - зменшується.

По геометричним признакам відрізняють наступні відхилення форми оброблених поверхонь:

Макрогеометрія– розглядається на великих дільницях реальної поверхні і характеризує точність виготовлення деталі, а точніше – відхиленнями реальної поверхні від правильної геометричної форми (овальність, конусність, бочкоподібність) в межах габаритних розмірів цієї поверхні. Основна причина їх виникнення - неточності обробки.

Хвилястість– наявність на поверхні періодично повторюваних і приблизно однакових хвилеподібних відхилень. Вона виникає при обробці внаслідок вібрації технологічної системи верстат – пристрій – інструмент – деталь, нерівномірності процесу різання, биття інструменту, нерівномірного його зношування або неправильної заточки чи правки. Характерна для поверхонь значних розмірів при обробці струганням, фрезеруванням, точінням, шліфуванням.

Мікрогеометрія (мікронерівності) поверхні або її шорсткість обумовлена наявністю невеличких гребінців і впадин. Величина мікронерівностей характеризує чистоту обробленої поверхні, яка може бути хвилястою і в той же час грубою, чи гладенькою, так же як і рівна поверхня може бути шорсткою або чистою. Мікрогеометрія оцінюється на невеличких ділянках реальної поверхні з довжиною сторони квадрату від 10 мкм до 1 мм.

Відхилення форми поверхонь умовно відрізняють в залежності від відношення шагу S до висоти Н нерівностей: при S:Н ≥ 1000 - відхилення форми, при S:Н = 50÷1000 - хвилястість поверхні, а при S:Н < 50 - шорсткість поверхні.

Основні фактори, від яких залежить якість обробки поверхонь - це:

а) рід і властивості матеріалу, що обробляється;

б) спосіб обробки (точіння, фрезерування, шліфування );

в) режим різання (швидкість, подача, глибина );

г) жорсткість системи верстат – пристрій – інструмент – деталь;

д) геометричні параметри інструменту і його матеріал.

Параметри і умови роботи сучасних машин висувають високі вимоги до якості поверхонь, що сполучаються. Сюди відносяться:

а) швидкохідність машин;

б) високі питомі навантаження при постійній тенденції зменшення ваги;

в) високий тиск і температура;

г) вимоги до довговічності і надійності роботи машини;

д) висока точність роботи окремих механізмів і всієї машини.

Якість поверхонь здійснює значний вплив на експлуатаційні властивості деталей.

Так, зносостійкістьдеталей, окрім інших факторів, в значній мірі залежить від якості їх поверхонь. На зношування поверхонь впливають макронерівності, хвилястість і мікронерівності. При макронерівностях і хвилястості зношування поверхонь нерівномірне. При мікронерівностях у першу чергу деформуються і зношуються гребінці. Шар мастила утримується на поверхні до тих пір, поки питомий тиск не перевершить певного значення. Оскільки поверхні тертя контактують в окремих виступаючих точках, то змазка в цих точках видавлюється і виникає сухе тертя.

Залежність зношування від часу роботи при терті описується законом Антона: спочатку за досить короткий період часу приробки протікає процес стирання виступаючих нерівностей, тобто протікає початковий період зношування - приробка поверхонь. Потім зношування протікає повільно, і цей час визначає період служби сполучення. Подовженість періодів приробки поверхонь і строку служби різняться в залежності від матеріалу пари тертя, умов його експлуатації, але однозначно залежать від якості обробки поверхонь. Величина початкового зношування поверхонь за короткий час приробки зазвичай значно більша зношування за увесь строк служби сполучення. Отже при значній шорсткості зазори в сполученні швидко збільшуються і до кінця приробки можуть досягати граничних для роботи вузла значень, внаслідок чого подальший строк служби значно скорочується. Підвищення якості поверхонь тертя подовжує надійність і строк служби машин.

Якість нерухомих сполучень.Для отримання міцного нерухомого сполучення двох деталей необхідно, щоб шорсткість їхніх поверхонь була як можна меншою. При запресовуванні гребінці зминаються і розміри сполучаємих поверхонь змінюються - отвір збільшується, а вал - зменшується. Натяг у сполученні отримують інший, ніж сподівались, оскільки для розрахунків приймали розміри, поміряні по вершинам гребінців. При чистих поверхнях деталей, коли висота гребінців мала, надійність і якість нерухомих посадок збільшується. При повторних запресовуваннях гребінці згладжуються, натяг зменшується і сполучення стає слабшим.

Міцність деталей. Якість поверхонь в значній мірі впливає на контактну жорсткість, вібростійкість і особливо на міцність деталей, працюючих при змінних навантаженнях. Концентрація напружень, які визивають руйнацію деталі, виникає внаслідок нерівностей поверхонь деталі.

Висока чистота поверхні, яку отримують внаслідок чистової обробки, значно підвищує міцність проти стомлення, так як чим менші мікронерівності, тим менша можливість виникнення тріщин від стомлення металу.

Опір корозії . Корозія поверхонь металів визивається дією газів, рідин, атмосферним впливом. Чим більша шорсткість поверхонь, тим більша їх площа, тим більша сорбція речовин, які визивають корозію ( згадаємо капілярну конденсацію ). Ці речовини осаджуються в поглибленнях і впадинах, корозія поглиблюється в глибину металу, виникають нові зародки корозії і руйнування. Антикорозійна стійкість металів значно зростає з підвищенням чистоти їх поверхонь.

Експлуатаційні характеристики. Вимоги високої чистоти визначаються інколи особливими умовами роботи деталей в машинах (лопатки турбін, коліс насосів) або приладів і вимірювальних інструментів, особливими вимогами до щільності і герметичності сполучень, міцності зчеплення різних покриттів при декоративнім оздобленні поверхонь деталей тощо. Так, при надмірній шорсткості поверхонь валів, плунжерів, штоків і т.д. швидко виходять з ладу ущільнення, що з ними контактують.

Критерії і класифікація шорсткості поверхонь

Шорсткість поверхні після механічної обробки - це понад усе геометричний слід ріжучого інструменту, який змінюється внаслідок пластичної і пружної деформації та супутньої процесу різання деформації технологічної системи.

Шорсткість поверхні визначають по її профілю, який утворюється в перетині цієї поверхні площиною, перпендикулярною до номінальної поверхні. При цьому профіль розглядається на довжині базової лінії, відносно якої визначаються і оцінюються параметри шорсткості поверхні. При стандартизації шорсткості поверхонь в основу прийнята система "М", в якій в якості базової лінії служить середня лінія профілю, тобто лінія, що має форму номінального профілю і проведена так, що в межах базової довжини середнє квадратичне відхилення профілю від цієї лінії мінімальне.

Стандартом встановлено шість параметрів шорсткості поверхні: R_a, R_z, R_max, S_m, S і t_p.

Середнє арифметичне відхилення профілюR_а визначається із абсолютних значень відхилень профілюHв межахбазової довжиниl:

(1)

де відхилення профілю H_івизначають відстанню між точкою і базовою лінією, виміряне по нормалі до середньої лінії;n - число вибраних для вимірювання точок в межах базової довжини.

Рис.3.1 - Мікропрофіль поверхні

Висота нерівностей по десяти точкамвизначається сумою середніх абсолютних значень висот п’яти найбільших виступів профілю і п’яти найбільших впадин в межах базової довжини:

(2)

Найбільша висота нерівностейпрофілюR_max- відстань між лінією виступів і лінією впадин профілю у межах базової довжини.

Відрізок середньої лінії профілю, в якому розміщена нерівність профілю, називається шагом нерівностей профілю. Середній шаг нерівностей профілюS_m- це середнє значення шагу нерівностей профілю у межах базової довжини.

Середній шаг нерівностей по вершинам– середнє значення шагу виступів профілю S в межах базової довжини.

Опорна довжина профілю- сума довжин відрізківb_і, які відсікаються на виступах в матеріалі профілю лінією, еквидистантною (рівновіддаленою) середній лінії в межах базової довжини:

= ∑b_і (3)

Лінія, рівновіддалена від середньої лінії проводиться на відстані р від верхньої лінії виступів. Величина р задається у відсотках до R_max.

Для порівняння розмірів опорних поверхонь, які оброблені різними методами, зручно користуватися поняттям відносної опорної довжини профілюt_p , яка визначається відношенням опорної довжини профілю до базової довжини:

t_p=/ L (4)

Стандартом регламентовані наступні інтервали числових значень параметрів шорсткості поверхонь: L = 0,01 - 25 мм, R_а= 0, 008 - 100 мкм, R_max= R_z= 0,025 – 1600 мкм, S і S_m= 0,002 - 12,5 мм, t_p= 10 - 90 % при р = 5 – 90 % від R_max.

При необхідності встановлюють вимоги до напрямку нерівностей поверхонь: паралельне, перпендикулярне, кругоподібне, радіальне, будь яке.

Вимоги до шорсткості встановлюються по одному або кільком параметрам указуванням їх числових значень (найбільшого, номінального або діапазону значень) і значень базової довжини на якій визначаються параметри.

Для грубих і дуже чистих поверхонь основною являється шкала R_z, а для середньої і малої шорсткості - шкала R_a. Числові значення параметрів шорсткості наведені в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 - Переважні (виділені шрифтом) числові значення параметрів шорсткості

Шорсткість поверхонь означають на кресленнях для всіх поверхонь виробу, які виконуються по даному кресленню, незалежно від методів їх обробки, крім поверхонь, шорсткість яких не обумовлена вимогами конструкції. Умовне зображення шорсткості на кресленнях показують згідно ГОСТ 2.309 -73. Числові значення параметрів шорсткості, які нормують вимоги до шорсткості поверхонь, указуються на кресленнях одним із умовних графічних знаків після відповідного символу (Rz , R_max), крім значень параметра Ra, який проставляється без символу.

При наявності в означенні шорсткості тільки значення параметра використовують знак без полиці.

- знак використовується найчастіше, він указує, що параметр Ra не повинен перевищувати 0,4 мкм, метод утворення поверхні конструктором не установлюється.

- шорсткість поверхні після відділення з неї шару матеріалу обробкою різанням (точіння, фрезерування, полірування, хімічне травлення тощо), параметр винен знаходитися в межах 0,32-0,80 мкм;

- знак показує,що поверхня утворена без зняття стружки (кування, штамповка, волочіння тощо) і її шорсткість не повинна перевищувати 1,6 мкм;

- знак показує, що поверхня по даному кресленню не обробляється.

Базову довжину вказують під полицею, де при необхідності також вказують умовне зображення напрямку нерівностей. У випадку, коли вимоги до шорсткості поверхонь нормуються декількома параметрами - їх указують над полицею (рис.3.2):

Рис.3.2. Структура умовного означення шорсткості поверхні

В довідниках приведені рекомендації по вибору числових значень для найбільш характерних видів сполучень, частина яких приведена в таблиці 3.3.

Таблиця 3.3. Характерні значення шорсткості для типових поверхонь

Коли відсутні рекомендації із призначення шорсткості поверхні, то обмеження шорсткості повинні бути пов'язані з допуском розміру (ІT), форми (ТF) або розташування (ТP). Геометричні відхилення деталі повинно перебувати в межах поля допуску розміру. Тому величину параметра Rz рекомендується призначати не більше 0,33 від величини поля допуску на розмір або 0,5-0,4 від допуску розташування або форми. Перехід від параметра Rz до параметра Ra виконується по співвідношенням:

Ra = 0,25·Rz при Rz ≥ 8 мкм; Ra = 0,2·Rz при Rz < 8 мкм.

Після визначення параметр Ra округляють до найближчого меншого числа з ряду стандартних значень.

Приклад: На кресленні деталі заданий розмір Ø42 k6^+0,018_+0,002. Визначити параметр шорсткості Ra.

Рішення:

Допуск розміру ІT = 16 мкм. Параметр Rz = 0,33·ІT = 0,33·16 = 5,3 мкм. Параметр Ra = 0,2·Rz = 0,2·5,3 = 1,06 мкм. Для нанесення на кресленні деталі приймаємо найближче менше із переважних значень шорсткості - Ra = 1,0 мкм.

Способи оцінки шорсткості поверхонь

Шорсткість поверхонь оцінюють шляхом вимірювання мікронерівностей. Ці вимірювання здійснюються за допомогою вимірювальних приладів і повинні проводитись в напрямку, який дає найбільше значення R_aчи R_z, якщо тільки в технічних умовах на даний виріб не визначений напрямок вимірювання шорсткості. При вимірюванні шорсткості різні дефекти поверхонь (подряпини, раковини тощо) не враховуються.

Для вимірювань використовують в основному профілометри, профілографи і оптичні прилади, а також оцінка шорсткості шляхом порівняння з еталонами чистоти.

Принцип роботи профілометрівоснований на вимірюванні мікронерівностей поверхонь шляхом їх ощупування алмазною голкою. При переміщенні голки по поверхні обробленої деталі наявність нерівностей призводить до коливань голки вздовж своєю вісі, які реєструє електричний устрій зі спеціальними датчиками, за допомогою яких автоматично визначається величина середньо квадратичного відхилення від середньої лінії профілю поверхні. Вказані прилади використовують для оцінки шорсткості поверхонь з висотою мікронерівностей не більше 12 мкм і не менше 0,03 мкм. Такими приладами користуються в цехових і лабораторних умовах (5-12 класи).

Профілографиявляються оптико-механічними приладами. Вони також основані на принципі ощупування поверхні алмазною голкою. За допомогою оптичного устрою профіль поверхні записується на спеціальній стрічці у збільшенім масштабі, де збільшення у вертикальному напрямку набагато більше, ніж у горизонтальному. Діапазон вимірювань – від 40 до 0,04 мкм (3-12 класи).

Із оптичних приладів найбільше використання знайшли подвійний мікроскоп і мікроінтерферометр академіка В.П. Лінника.

Подвійний мікроскоп оснований на використанні методу "светового сечения"; за його допомогою визначають середню висоту мікронерівностей в межах 3-70 мкм (2-5 класи).

Використання мікроінтерферометра для вимірювань нерівностей основане на явищі інтерференції світла, яке можна зафіксувати за допомогою спеціального устрою. Мікро інтерферометри використовують в лабораторних умовах для оцінки найбільш чистих поверхонь з висотою нерівностей в межах 0,2-2 мкм. Поле зору у цих приладів дуже мале - до 0,5 мм².

У виробничих умовах набагато зручніше шорсткість оброблених поверхонь оцінювати шляхом їх порівняння з еталонами чистоти, які являють собою плоскі, або циліндричні зразки, виготовлені з різних матеріалів (сталь, латунь) і оброблених з заданою шорсткістю. Набори зразків – еталонів виготовляють для різних видів механічної обробки - точіння, фрезерування, шліфування тощо.

Візуальну оцінку шорсткості поверхонь, оброблених викінчувальними методами, при порівнянні зі зразками необхідно проводити за допомогою лупи не менше ніж з п’ятикратним збільшенням. Порівняння з еталоном може бути більш точним при використанні порівняльного мікроскопу, який дозволяє одночасно розглядати поверхні еталону і деталі.