Шероховатость и волнистость поверхностей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Шероховатость и волнистость поверхностей

Реальная поверхность, ограничивающая деталь, в отличие от номинальной - геометрически правильной и "гладкой" - имеет сложный профиль, характеризующийся макрогеометрией (отклонения формы) и микрогеометрией. К микрогеометрии относят шероховатость поверхности. Поскольку шероховатость оказывает непосредственное влияние на функционирование сопряжений, ее нормируют для всех сопрягаемых поверхностей.

Гармоническое искажение профиля со сравнительно малыми амплитудами называют волнистостью. Волнистость занимает промежуточное положение между макрогеометрией и микрогеометрией, поскольку высотные параметры близки к шероховатости, а шаговые - к отклонениям формы.

В соответствии со стандартом на допуски формы и расположения поверхностей волнистость включают в погрешности формы, если она не нормируется особо. Нормирование волнистости на уровне стандартов пока не реализовано, но параметры и характеристики описаны в литературе и при необходимости их можно использовать.

ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ

Под шероховатостью поверхности понимают совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенную с помощью базовой длины. Базовую длину стандарт определяет как длину базовой линии, используемой для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности. Базовая линия имеет идеальную геометрическую форму, соответствующую номинальному профилю рассматриваемой поверхности. Базовая линия определяется сечением номинальной поверхности плоскостью и может быть прямой, дугой окружности, или иметь иную правильную форму.

Шероховатость поверхности описывают характеристиками и параметрами микронеровностей профиля, получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью, направленной по нормали к ней. В случае, когда к реальной поверхности может быть проведено множество нормальных секущих плоскостей, выбирают сечение, имеющее максимальные параметры шероховатости, если направление измерения шероховатости не оговорено специально. Так к номинально плоской поверхности секущие плоскости могут быть проведены в любом нормальном направлении, а к номинально цилиндрической - либо через ось, либо перпендикулярно к ней.

Параметры шероховатости оценивают с использованием системы координат, одной из осей которой является средняя линия профиля m (рисунок 1).

Рисунок 1 - Профиль поверхности (к определению параметров шероховатости)

Средней линией профиля m называется базовая линия, имеющая форму номинального профиля поверхности и делящая действительный профиль так, что в пределах базовой длины сумма квадратов расстояний y1...yn точек профиля до этой линии минимальна. На профилограмме, представляющей реальный профиль, средняя линия профиля проходит таким образом, что площади между контуром профиля и линией m, расположенные выше и ниже средней линии в пределах длины l, равны между собой.

Числовые значения базовой длины l по ГОСТ 2789-73 выбирают из ряда значений, в миллиметрах 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,80; 2,5; 8; 25. Выбор базовой длины приходится увязывать со значениями параметров шероховатости оцениваемого профиля. Недостаточная длина не обеспечит представительности оценки параметров, а слишком большая - приведет к искажению оценки параметров из-за влияния макрогеометрии.

Характеристики и параметры шероховатости поверхностей устанавливает стандарт ГОСТ 2789-73, требования которого распространяются на поверхности изделий независимо от их материала и способа изготовления (исключение составляют ворсистые, пористые и аналогичные поверхности). При определении параметров шероховатости местные дефекты поверхности (раковины, трещины, вмятины, царапины и т.д.) из рассмотрения исключаются.

Стандарт устанавливает для количественной оценки шероховатости шесть параметров: три высотных (Ra, Rz, Rmax), два шаговых (Sm, S) и параметр tр, характеризующий относительную опорную длину профиля.

Наибольшая высота неровностей профиля (Rmax) определяется расстоянием между линией выступов профиля и линией его впадин в пределах базовой длины: волнистость шероховатость искажение

Rmax = yрmax + yvmax,

где yрmax - высота наибольшего выступа профиля;

yvmax - глубина наибольшей впадины профиля.

Линия выступов профиля - линия, эквидистантная его средней линии, проходящая через высшую точку профиля в пределах базовой длины. Линия впадин профиля строится аналогично, но проходит через самую низко расположенную точку профиля.

Поскольку на выбранной базовой длине может оказаться недостаточно представительная впадина (или выступ) профиля, более информативный параметр, характеризующий высоту, неровностей профиля можно получить усреднением нескольких высот.

Высоту неровностей профиля по десяти точкам (Rz) определяют как среднее арифметическое суммы абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля (от средней линии) в пределах базовой длины.

где Hi min и Hi max - соответственно высота i-того выступа и глубина i-той впадины профиля на базовой длине (по десяти наиболее удаленным точкам профиля) или

где yрmi - высота i-того наибольшего по высоте выступа и последующих выступов профиля;

yvmi - глубина i-той наибольшей по глубине впадины и последующих впадин профиля.

Числовые значения Rz и Rmax по ГОСТ 2789-73 приведены в таблице 1.1. Жирным шрифтом выделены предпочтительные значения.

Таблица 1.1 - Значения Rz и Rmax, мкм

Среднее арифметическое отклонение профиля (Ra) определяется как среднее арифметическое значение всех абсолютных отклонений профиля в пределах базовой длины (реально число отклонений профиля приходится ограничивать некоторым значением n):

,

где l - базовая длина, на которой оценивается значение параметров шероховатости;

n - число выбранных точек профиля на базовой длине.

или, более строго,

где l - базовая длина, на которой оценивается значение параметров шероховатости.

Числовые значения Ra по ГОСТ 2789-73 приведены в таблице 1.2. Жирным шрифтом выделены предпочтительные значения.

Таблица 1.2 - Значения среднего арифметического отклонения профиля

Средний шаг неровностей профиля (Sm) определяется как среднее значение шагов неровностей профиля (по средней линии) в пределах базовой длины:

где Smi - i-тый шаг неровностей - отрезок средней линии профиля, который отсекают два одноименных (левых или правых) участка профиля;

n - число шагов профиля на базовой длине.

Средний шаг местных выступов профиля (S), который раньше называли "средний шаг неровностей по вершинам"), определяется как среднее значение шагов между местными выступами профиля в пределах базовой длины,

где Si - i-тый шаг местных выступов профиля - отрезок средней линии между проекциями на нее наивысших точек соседних местных выступов профиля;

n - число шагов местных выступов профиля на базовой длине.

Относительная опорная длина профиля (tр) представляет собой отношение опорной длины профиля к базовой длине:

где Уbi - опорная длина профиля - суммарная длина отрезков профиля, отсекаемых в материале на базовой длине линией, эквидистантной средней линии m. Если условно "отбросить" отсекаемый материал, то ответная деталь с идеальным профилем в пределах базовой длины будет опираться на оставшиеся отрезки bi;

bi - длина i-того отрезка, отсекаемого на заданном уровне сечения профиля р в материале профиля линией, эквидистантной средней линии m;

р - уровень сечения профиля - расстояние от линии выступов до линии, пересекающей профиль эквидистантно средней линии профиля.

Уровень сечения профиля р выражается в процентах от Rmax и выбирается из ряда (в процентах от Rmax): 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90.

Относительная опорная длина профиля tр задается в процентах от базовой длины l и выбирается из ряда: 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90.

Как было сказано выше, саму базовую длину выбирают, увязывая ее со значениями параметров шероховатости оцениваемого профиля. ГОСТ 2789-73 не предусматривает обязательной связи между базовой длиной и определенными числовыми значениями параметров шероховатости. Однако в справочном приложении к ГОСТ 2789-73 приведены рекомендуемые соотношения базовой длины l и высотных параметров Ra, Rz, Rmax (таблица 1.3), которые разработаны на основе анализа их взаимосвязи для традиционных технологических процессов получения (обработки) поверхностей.

К "нетрадиционным технологическим процессам" можно отнести тонкое пластическое деформирование (например, обкатывание или раскатывание шарами, роликами, виброобкатывание, алмазное выглаживание), а также обработку технологическими лазерами, электроэрозионную обработку, химическое фрезерование и др.

Таблица 1.3 - Соотношения базовой длины l и высотных параметров Ra, Rz, Rmax

В дополнение к количественным параметрам шероховатости стандарт допускает нормирование качественной характеристики - направления неровностей. Типы направления неровностей, их схематические изображения и условные знаки для обозначения направления неровностей представлены в таблице 1.4.

Параметры для нормирования шероховатости следует выбирать с учетом назначения поверхности и требуемых эксплуатационных свойств (таблица 1.5). Из высотных параметров шероховатости наиболее информативен параметр Ra, который и определен стандартом как предпочтительный. Обычно конструкторы ограничиваются нормированием высотных параметров, хотя остальные стандартные параметры могут оказаться очень важными с позиций обеспечения функционирования сопряжения и изделия в целом. Поскольку в настоящее время конструкции однотипных изделий отрабатывают примерно на одинаковом уровне, конкурентоспособность изделий во многом определяют свойства поверхностностей в сопряжениях. Следует отметить, что кроме физико-механических свойств поверхностного слоя весьма важную роль играет микрогеометрия сопрягаемых поверхностей.

В ряде случаев большое значение имеет и такая характеристика микрогеометрии, как направление неровностей. Как наиболее яркий пример можно представить работу металлической и пластмассовой поверхностей в сопряжении с трением скольжения. Специально проведенные исследования показали, что изменение направления неровностей металлической поверхности меняет износостойкость сопряжения примерно в 5 - 10 раз. Сопряжения металлических поверхностей не дают столь ярко выраженного эффекта, но благоприятные направления неровностей позволяют существенно снизить силы трения и повысить долговечность деталей.

Таблица 1.5 - Эксплуатационные свойства поверхности и обеспечивающая их номенклатура параметров и характеристик шероховатости

Параметры Rmax, S, Sm, tр нормируют в случаях, когда по функциональным требованиям необходимо ограничить полную высоту неровностей профиля, шаг неровностей и их форму. Параметр Rz нормируют вместо параметра Rmax как более представительный, или иногда вместо параметра Ra - когда прямой контроль параметра Ra по техническим причинам не представляется возможным (например, для поверхностей, имеющих малые размеры или сложную конфигурацию).

При назначении требований к шероховатости следует учитывать необходимость согласования высотных параметров шероховатости с допусками размеров и формы поверхностей.

Связь между высотными параметрами шероховатости поверхностей и допусками макрогеометрии формально отсутствует, поскольку в стандарте ГОСТ 24642 - 81 сказано, что шероховатость не входит в погрешности формы. Разные системы отсчета отклонений (от прилегающих элементов для формы поверхностей и от среднего профиля для высотных параметров шероховатости) как будто подтверждают такой подход. Однако в том же стандарте отмечено, что при высотных параметрах шероховатости, соизмеримых с отклонениями формы, их необходимо учитывать. Поскольку расстояния между впадинами и выступами микрорельефа в некоторых случаях оказываются большими, чем значения допусков формы, теоретически годные по макрогеометрии детали могут быть забракованы, например, при контроле отклонений формы, что следует рассматривать как неоднозначную ситуацию. Для повышения определенности принимаемых решений следует ограничить высотные параметры шероховатости, увязав их с лимитирующими допусками макрогеометрии поверхностей.

Максимальные значения высотных параметров шероховатости (Rz, Rmax) ограничены такими допусками макрогеометрии, как допуск размера, расположения или формы (лимитирующими допусками), и должны быть меньше лимитирующего допуска примерно в 2 раза. Лимитирующий допуск размера, как правило, ограничивает шероховатость двух поверхностей или двух противоположных элементов одной поверхности. Если на эти элементы дополнительно назначены допуски формы, тогда они являются лимитирующими.

Рекомендации, предлагаемые в справочниках для выбора соотношения между высотными параметрами шероховатости и допусками размера, формы или расположения поверхностей, обычно взяты из РТМ 2 Н 31-4-81. Соотношения в этом документе оформлены в виде цепочки, связывающей высотный параметр шероховатости с допуском размера через допуски формы или расположения определенного уровня относительной точности. Часть этих рекомендаций представлена в таблице 1.6. Приведенные в таблице требования не вполне понятны, поскольку для уровней относительной геометрической точности формы цилиндрических поверхностей вместо соотношений 60 %, 40 % и 25 % принимают 30 %, 20 % и 12 %, а для таких соотношений данные в таблице отсутствуют. Поскольку разработчик должен для ряда случаев принимать самостоятельные решения, следовало бы представить ему обоснованные рекомендации по выбору и назначению высотных параметров шероховатости поверхности.

Таблица 1.6 - Требования к шероховатости поверхности в зависимости от допусков размера и формы

Нормы для назначения параметров Ra и Rz, приведенные в РТМ 2 Н 31-4-81, и фактические соотношения, заданные этими нормами представлены в таблице 1.7

Анализ данных документа РТМ 2 Н 31-4-81 показывает неудачный выбор подходов к нормированию. Очевидное неудобство выбранного подхода в том, что он скрывает реальные соотношения между высотными параметрами шероховатости и лимитирующим допуском. Следствие принятого подхода - неоправданное разнообразие не представленных в документе в явном виде фактических множителей в соотношениях (в таблице выделены двойной рамкой). Формальное повышение требований якобы вдвое на каждой более высокой ступени (колонки 2 и 3 таблицы) фактически приводит к ужесточению высотных параметров только на 37,5 % на всем диапазоне, что видно из соотношений в колонках 4 и 5 таблицы.

Таблица 1.7 - Рекомендуемые соотношения высотных параметров шероховатости и допусков макрогеометрии поверхностей (по РТМ 2 Н 31-4-81)

Поскольку формальное повышение требований к параметрам шероховатости в два раза фактически приводит к их ужесточению на 25 % (от уровня А к уровню В), или менее чем на 20 % (на 16,7 % от уровня В к уровню С), можно утверждать, что принятая в данном документе методика нормирования высотных параметров шероховатости является неоправданно усложненной и приводит к избыточному разнообразию рекомендуемых для нормирования соотношений.

В качестве соотношений, пригодных для нормирования высотных параметров шероховатости поверхностей по лимитирующим значениям допусков макрогеометрии можно предложить для тривиальных случаев

Ra ? 0,10 Tlim, (1.1)

или, исходя из того что для традиционных технологических процессов Rz примерно в 4 раза превышает Ra,

Rz ? 0,40 Tlim, (1.2)

а для случаев с особо жесткими лимитирующими допусками (см. примечание к таблице 1.7)

Ra ? 0,15 Tlim, (1.3)

или

Rz ? 0,60 Tlim . (1.4)

Использование предложенных соотношений (1.1…1.4) существенно упрощает назначение высотных параметров шероховатости поверхностей, поскольку не требует решения каждой из частных задач в избыточно усложненной постановке и обращения к информационным источникам.

Особым случаем выбора значений высотных параметров шероховатости поверхностей является назначение этих параметров на поверхности, сопрягаемые с подшипниками качения. Рекомендации по выбору норм точности для этих поверхностей приведены в ГОСТ 3325 - 85. Некорректность рекомендаций наблюдается как в предлагаемых значениях допусков формы и биений, так и в значениях Ra, которые не согласованы с лимитирующими допусками макрогеометрии (рекомендуемые значения Ra в ряде случаев значительно превышают возможные согласованные значения).

Некорректность предлагаемых значений допусков формы и биений заключается в том, что они не согласованы со значениями соответствующих допусков по ГОСТ 24643 - 81, который устанавливает значения допусков формы и расположения поверхностей. Так среди рекомендуемых допусков встречаются явно неудачные числовые значения 0,7 мкм; 4,5 мкм; 7,5 мкм; 9 мкм; 11 мкм; 13 мкм; 15 мкм; 21 мкм; 39 мкм, которые получены на основе формальных расчетов и не соответствуют стандартным значениям в ГОСТ 24643 - 81.

Назначая параметры шероховатости поверхностей, следует учитывать возможность их обеспечения при использовании рациональных методов обработки деталей. Примеры связи точности обработки поверхностей деталей резанием и получаемых при этом высотных параметров шероховатости поверхности приведены в таблице 1.8.

Таблица 1.8 - Значения высотных параметров шероховатости поверхностей (Ra) и точность размеров (квалитеты) при различных видах обработки деталей резанием

Требования к шероховатости поверхности устанавливают путем выбора нормируемых параметров шероховатости (одного или нескольких), назначения числовых значений выбранных параметров, а при необходимости и базовых длин, на которых происходит определение этих параметров. Как правило из однотипных параметров (высотных и шаговых) назначают по одному, например, Ra или Rz (вместо Rz изредка назначают Rmax); S или Sm, причем для ответственных поверхностей могут быть назначены параметры всех трех типов и направление неровностей профиля.

Если нет необходимости, требования к шероховатости поверхности не устанавливаются, и шероховатость такой поверхности контролю не подлежит.

При нормировании параметров шероховатости поверхности можно назначать:

· одно предельное значение, соответствующее наиболее грубому допускаемому значению параметра (наибольшее значение для параметров Ra, Rz, Rmax, S, Sm и наименьшее значение параметра tр);

· два предельных значения (наибольшее и наименьшее значения нормируемого параметра);

· номинальное значение параметра с предельными отклонениями от него (в процентах от указанного номинального значения параметра).

В последнем случае значения предельных отклонений выбирают из ряда 10 %, 20 %, 40% и назначают как односторонние (в плюс или минус) или как симметричные, например ± 20 %.

При указании двух значений сверху указывают значения параметра или отклонения, относящееся к более грубой шероховатости.

При обозначении на чертежах значения параметров Ra, Rz и Rmax указывают в микрометрах, параметров Sm и S - в миллиметрах, параметров tр - в процентах от базовой длины l, уровня сечения профиля р для параметра tр - в процентах от Rmax.

Обозначение шероховатости поверхности на чертеже нормированы ГОСТ 2.309-73.

Структуры обозначения шероховатости поверхностей до внесения последнего изменения и с изменением №3 (дата введения 01.01.2004 г.) представлены на рисунке 1.2 (зоны, в которых указывают значения параметров, используют обязательно, остальные - при необходимости). Так вид обработки поверхности или последовательность нескольких видов обработки указывают только в тех случаях, когда этим определяется единственный способ обеспечения требуемого качества поверхности. При этом обязательно используют знак, соответствующий виду окончательной обработки (либо знак обязательного удаления слоя материала, либо знак обязательного сохранения его поверхностного слоя).

Значение базовой длины в миллиметрах (без обозначения l) указывают в тех случаях, когда значение параметра шероховатости нормировано на базовой длине, отличающейся от рекомендуемой стандартом (в справочном приложении).

Направление неровностей указывается соответствующим условным знаком в тех случаях, когда разработчик считает его нормирование необходимым для эффективной работы поверхности.

При нормировании двух и более параметров шероховатости для одной и той же поверхности, их указывают в следующем порядке (сверху вниз): параметр высоты неровностей, параметр шага неровностей, параметр tр.

Все параметры указывают с буквенными обозначениями (Ra, Rz, Rmax, S, Sm и tр) перед их числовыми значениями. До внесения изменения №3 буквенное обозначение параметра Ra не указывали, ограничиваясь только числовым значением параметра. Такие обозначения применялись до конца 2003 года в технической документации и литературе, поэтому на нынешнем переходном этапе необходимо знать как новые, так и старые обозначения.

Условные знаки, применяемые для обозначения шероховатости поверхностей и пояснения к ним приведены в таблице 1.9.

Таблица 1.9 - Условные знаки для обозначения шероховатости поверхностей

На рисунке 1.3 приведены некоторые примеры обозначения шероховатости поверхностей. Два обозначения представляют варианты (отмененный и новый), одно - соответствует устаревшему варианту. Устаревший вариант обозначения дополнительно отмечен желтым маркером.

ВОЛНИСТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ

Волнистость поверхности - совокупность периодически повторяющихся неровностей, у которых расстояние между соседними вершинами или впадинами превышает базовую длину l для имеющейся шероховатости поверхности. Волнистость измеряется на длине LW по профилограмме контролируемой поверхности (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - К оценке волнистости поверхности

При этом профилограмму фильтруют, исключая присутствие шероховатости и отклонения формы поверхности. Эта фильтрация может осуществляться механическим путем (использование щупа первичного преобразователя профилографа-профилометра соответствующего радиуса), либо электрическим путем с использованием набора соответствующих фильтров, пропускающих синусоидальные сигналы определенных частот и амплитуд.

Волнистость нормируется тремя параметрами Wz, Wmax и SW. За базовую линию при их оценке принята средняя линия mW, которая определяется аналогично средней линии профиля шероховатости m.

Длина линии измерения LW должна быть не менее пяти значений шага самой большой волны.

Высота волнистости Wz - среднее арифметическое значение пяти наибольших высот волн

где Wi - высота волны.

Высоту волнистости определяют либо на длине линии измерения волнистости LW, либо на пяти отдельных участках lWi. Если измерения высот волн выполняют на "разорванных" участках, сумма длин этих пяти участков должна быть равна полной длине линии измерения волнистости LW.

Предельные значения Wz должны выбираться из ряда значений в микрометрах: 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25, 50, 50, 100, 200.

Наибольшая высота волнистости Wmax - самая высокая волна из пяти рассматриваемых.

Средний шаг волнистости SW - среднее арифметическое значение длин отрезков средней линии, отсекаемых однотипными (четными или нечетными) точками пересечения профиля волнистости со средней линией в пределах полной длины линии измерения волнистости LW

Размещено на Allbest.ru