1.4.    Шероховатость поверхности

Поверхность, ограничивающая тело и отделяющая его от окружающей среды, называется реальной поверхностью. Реальная поверх­ность детали образуется в процессе ее изготовления и в отличие от идеальной геометрической номинальной поверхности, изображае­мой на чертежах, всегда имеет неровности различных формы и вы­соты в виде выступов и впадин с небольшими расстояниями между ними.

Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей об­работанной поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине.

Шероховатость поверхности принято определять по ее профилю, который образуется в сечении этой поверхности плоскостью, перпендикулярной к номинальной поверхности. При этом профиль рассматривается на длине базовой линии, используемой для выделе­ния неровностей и количественного определения их параметров.

При стандартизации шероховатости поверхности в основу при­нята система отсчета, в которой в качестве базовой линии служит средняя линия профиля. Средняя линия профиля – это базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины (l) среднее квадратическое откло­нение профиля до этой линии минимально.

Линия, эквидистантная средней линии и проходящая через высшую точку профиля в пределах базовой длины, называется ли­нией выступов профиля. Линия, эквидистантная средней линии и проходящая через низшую точку профиля в пределах базовой длины, называется линией впадин профиля.

Расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины представляет собой наибольшую высоту неровностей профиля Rmax.

Высота выступа профиля Урm – это расстояние от средней линии профиля до высшей точки выступа профиля.

Глубина впадины профиля Уvm – это расстояние от средней линии профиля до низшей точки впадины профиля.

Неровность профиля – это выступ профиля и сопряженная с ним впадина профиля.

Шаг неровностей профиля – это длина отрезка средней линии профиля, содержащая выступ профиля и сопряженную с ним впа­дину профиля. Средний шаг (рис. 1.1) неровностей профиля (Sm) –  это среднее значение шага неровностей профиля по средней линии в пределах базовой длины.

Шагом местных выступов называется длина отрезка средней линии между проекциями на нее двух наивысших точек соседних местных выступов профиля. Средним шагом (S) местных, выступов профиля называется среднее значение шага местных выступов в пре­делах базовой длины.

Для оценки шероховатости поверхности в машиностроении получил большое распространение высотный критерий (R). Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz представляет собой сумму средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины l, т.е.

,

где Уpmi – высота i-го наибольшего выступа профиля; Уvmi – глубина i-й наибольшей впадины профиля.

Столь же большое значение в машиностроении при оценке шероховатости поверхности имеет и критерий Ra. Среднее арифметическое отклонение Ra профиля – есть среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины (l), т.е.

;

или приближенно

,

где у  – отклонение профиля, определяемое расстоянием между любой точкой профиля и средней линией; l  – базовая длина; n – число выбранных точек на базовой длине.

Среднее квадратическое отклонение профиля (Rq) – среднее квадратическое значение отклонений профиля в пределах базовой длины

,

или приближенно:

.

При определении Ra и Rq непосредственным измере­нием на соответствующих приборах их значения устанавливается в пределах длины оценки, включающей несколько базовых длин. По ИСО 3274 базовая длина численно равна отсечке шага прибора.

Опорная длина (hp) профиля определяется как сумма длин отрезков в пределах базовой длины, отсекаемых на заданном уровне в ма­териале профиля линией, эквидистантой средней линии.

Для сопоставления размеров опорных поверхностей, обработан­ных различными методами, удобно пользоваться понятием относительной опорной длины (tp) профиля, которая равна отношению опорной длины профиля к базовой длине, т.е.

,

где bi  – длина отрезка, отсекаемого в материале выступа профиля; р – уровень сечения профиля, равный расстоянию между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль экви­дистантно линии выступов  профиля. 

Обобщая все сказанное, можно отметить, что государственными стандартами установлено шесть параметров шероховатости:

Ra – среднеарифметическое отклонение профиля;

Rz – средняя высота неровностей профиля по 10 точкам;

Rmax – наибольшая высота профиля;

S – средний шаг неровностей по вершинам;

Sm – средний шаг неровностей по средней линии;

tp –  относительная опорная длина профиля.



Шероховатость поверхностей обозначают на чертеже для всех выполняемых по данному чертежу поверхностей изделия независимо от методов их образования, кроме поверхностей, шероховатость которых не обусловлена требованиями конструкции.

В обозначении шероховатости поверхности применяют следующие знаки,

· знак шероховатости, когда вид обработки поверхности конструктор не устанавливает (рис. 1.2, а);

· знак шероховатости, когда поверхность должна быть образована удалением слоя металла, например точением или фрезерованием (рис. 1.2, б);

· знак шероховатости, когда поверхность должна быть образована без удаления слоя материала, например литьем или ковкой (рис. 1.2, в). Этим же знаком обозначают поверхности, не обрабатываемые по данному чертежу.

При указании одинаковой   шероховатости для всех поверхностей изделия обозначение шероховатости помещают в правом верхнем углу чертежа и на изображении детали не наносят (рис. 1.2, г). При указании одинаковой шероховатости для части поверхностей изделия в правом верхнем углу чертежа помещают обозначение одинаковой шероховатости и знак, заключенный в скобки. Это обозначает, что все поверхности, на которых не нанесены обозначения, должны иметь шероховатость, указанную вперед знаком в скобках (рис. 1.2, д).

Когда часть поверхностей не обрабатывают по данному чертежу, то в правом верхнем углу чертежа перед знаком в скобках помещают знак «необработки». Обозначение шероховатости поверхностей повторяющихся элементов изделия (отверстий, пазов), количество которых указано на чертеже, а также обозначение шероховатости одной и той же поверхности наносят один раз независимо от числа изображений (рис. 1.2, е).

Сложность явлений, сопровождающих процесс обработки, и многообразие факторов, влияющих на образование неровностей, обусловливают отступление  формы детали от геометрически правильной. При этом форма и размеры неровностей, измеренные в различных направлениях, оказываются различными.

Высота неровностей по­верхности, измеренная в направлении движения резания вдоль обработочных рисок (при строгании на продольно-строгальном станке в направлении возвратно-поступательного движения стола, при точении и круглом шлифовании по винтовой линии), характе­ризует продольную шероховатость поверхности. Высота неровностей, измеренная перпендикулярно к движению резания (по направлению поперечной подачи при строгании, точении, шлифовании и т.п.), характеризует поперечную шероховатость поверхности.

В связи с тем, что такие факторы, как геометрическая форма режущего инструмента и величина подачи, отражаются только на поперечной шероховатости, ее размеры обычно в два-три раза превышают продольную шероховатость. Вследствие этого оценку степени шероховатости поверхности заготовки обычно производят на основании измерения поперечной шероховатости. При некоторых видах обработки (при торцовом фрезеровании, доводке) продольная и поперечная шероховатости имеют одинаковые значения и могут из­меряться в обоих направлениях.

При определенных условиях обработки, в частности при возник­новении вибраций или высокой степени пластической деформации поверхностного слоя металла, продольная шероховатость может резко возрасти и превысить поперечную шероховатость. В подобных случаях оценку шероховатости поверхности следует производить на основании измерений не поперечной, а продольной шерохова­тости.

На шероховатость поверхности, обработанной резанием, оказы­вает влияние большое число факторов, связанных с условиями изготовления заготовки. В частности, высота и форма неровностей, а также характер расположения и направление обработочных рисок зависят от:

1) принятого вида и режима обработки;

2) условий охлаждения и смазки инструмента;

3) химического состава и микроструктуры обрабатываемого материала;

4) конструкции, геометрии и стойкости режущего инструмента;

5) типа и состояния используемого оборудо­вания, вспомогательного инструмента и приспособлений.

Процесс возникновения неровностей вследствие геометрических причин принято трактовать как копирование на обрабатываемой поверхности траектории движения и формы режущих лезвий. Форма и взаимное расположение неровностей (направление обработочных рисок) определяются фор­мой и состоянием режущих лезвий и теми эле

ментами режима реза­ния, которые влияют на изменение траектории движения режущих лезвий относительно обрабатываемой поверхности.

В различных условиях обработки пластические и упругие деформации обрабаты­ваемого материала и вибрация искажают геометрически правильную форму неровностей, нарушают их закономерное распределение на поверхности и в значительной степени увеличивают их высоту. В ряде случаев пластические деформации и вибрации вызывают появление продольной шероховатости, достигающей значительных размеров, и увеличение поперечной шероховатости.

Преобладающее влияние на формирование шероховатости по­верхности оказывает (как правило) одна из указанных причин, которая и определяет характер и величину шероховатости. Однако в отдельных случаях шероховатость возникает в результате одновременного и почти равнозначного воздействия всех указанных причин и вследствие этого не имеет четко выраженных закономер­ностей.