Шероховатость после обработки. Шероховатость поверхности после механической обработки

На поверхности, обработанной токарным резцом, образуются неровности в виде винтовых выступов и винтовых канавок (рис. 1, а), отчетливо заметные при крупной подаче s и обнаруживаемые лишь при помощи специальных приборов, если подача невелика.

Такие неровности расположены в направлении подачи и образуют поперечную шероховатость в отличие от продольной шероховатости (рис. 1, б), образуемой неровностями в направлении скорости резания v.

Рис. 1. Поперечная (а) и продольная (б) шероховатости, получающиеся при токарной обработке.

При токарной обработке наибольшее значение имеет поперечная шероховатость, характеризуемая формой и размерами винтовых выступов, образующих неровности. Высота таких неровностей зависит от очень многих факторов, участвующих в процессе резания и действующих в разных случаях по-разному, и поэтому не может, быть определена с помощью расчетов, а находится лишь опытным путем.

Причины образования шероховатостей

1. Термическая обработка материала. Если материал подвергнут термической обработке, то шероховатость его поверхности уменьшается, т.к. повышается однородность его структуры.

2. Величина подачи. При крупных подачах высота неровностей значительно отличается от расчетной и превышает ее в несколько раз.

3. Скорость резания. При скорости резания до 3-5 м/мин размеры неровностей незначительны; с увеличением скорости резания неровности возрастают; при повышении скорости резания до 60-70 м/мин высота неровностей уменьшается, и при скорости около 70 м/мин шероховатость поверхности получается наименьшей. Дальнейшее повышение скорости резания незначительно влияет на шероховатость обработанной поверхности.

4. Состав смазочно-охлаждающей жидкости, применяемой при токарной обработке. Наилучшие результаты получаются, если жидкость содержит минеральные масла, мыльные растворы и другие вещества, повышающие ее смазочные свойства.

5. Степень затупления резца. При небольшом затуплении резца обработанная поверхность часто получается даже несколько чище, чем при остром резце. При дальнейшем затуплении резца шероховатость поверхности увеличивается.

6. Материал режущего инструмента. Например, резцами из твердых сплавов очень трудно получить хорошую поверхность при обработке вязких материалов.

7. Вибрации, возникающие в процессе резания. Особое значение в этом случае приобретают чрезмерные зазоры в направляющих суппорта и в подшипниках, неточности зубчатых передач станка, плохая балансировка вращающихся частей станка, недостаточная жесткость обрабатываемой детали, углы резца, его вылет и т.д. Все эти вредные явления при токарной обработке вызывают продольную шероховатость поверхности.

Чтобы достичь заданной точности размеров детали и установить при контроле, действительно ли получен заданный размер, необходимо обеспечить при обработке надлежащий класс шероховатости поверхности.

Необходимая точность обработки, отвечающая требованиям заданного класса точности, достигается на различных станках разными способами.

Точность выполнения размеров определяется квалитетами (в системе ОСТ – классы точности). Квалитет (по стандартам СЭВ – Совет Экономической Взаимопомощи) показывает относительную точность изготовления детали.

В зависимости от величины допуска на размер установлено 19 квалитетов точности (IT01, IT0, IT1, IT2,...IT17; IT – Intеrnational Tolerance - международный допуск). IT8 – допуск системы по 8 квалитету ISO (ISO - международная организация по стандартизации).

Практикой определены взаимосвязи между видами обработки и шероховатостью поверхности. Так, например, установлено, что средняя высота неровностей не должна превышать 10-25% от допуска на обработку. Это позволило установить достижимую шероховатость поверхности для различных видов обработки, а с учётом затрат при любом другом способе обработки – и экономически достижимую шероховатость поверхности.

Различные методы обработки по-разному влияют на качество поверхности.

Таблица 1. Характеристики точности и качества, характерные для различных способов обработки резанием

Для достижения заданного взаимного расположения поверхностей, формы и размеров деталей, их шероховатости и физико-механических свойств при производстве машиностроительной продукции применяют различные методы обработки: резание лезвийным и абразивным инструментами; поверхностное пластическое деформирование; электрофизические, электрохимические и другие методы. По мере приближения размера обрабатываемой поверхности к заданному размеру по чертежу обработка заготовки может быть нескольких видов: обдирочная, черновая, получистовая, чистовая, тонкая, отделочная.

Обдирочная обработка применяется для крупных поковок и отливок 16-18-го квалитетов точности. Она уменьшает погрешности формы и пространственных отклонений грубых заготовок, обеспечивая 15-16-й квалитеты точности, шероховатость поверхности Ra больше 100 мкм.

Черновая обработка выполняется в большом диапазоне точности (12-16-й квалитеты). Шероховатость поверхности Ra = 100-25 мкм.

Получистовая обработка применяется для заготовок, к точности которых предъявляются повышенные требования. Этот вид обработки обеспечивает 11-й, 12-й квалитеты точности. Шероховатость поверхности
Ra = 50,0-12,5 мкм.

Чистовая обработка применяется как окончательный вид обработки для тех заготовок, заданная точность которых укладывается в точность, достигаемую чистовой обработкой (8-11-й квалитеты). Шероховатость поверхности обеспечивается в пределах Ra = 12,5-2,5 мкм.

Тонкая обработка применяется для окончательного формирования поверхностей детали и при малых операционных припусках. Шероховатость поверхности находится в пределах значений Ra = 2,5-0,63 мкм.

Отделочная (финишная) обработка используется для получения требуемой шероховатости поверхности детали на точность обработки влияния почти не оказывает. Выполняется, как правило, в пределах допуска предшествующей обработки. Отделочная обработка обеспечивает получение шероховатости поверхности Ra = 0,63-0,16 мкм.

В современном машиностроении наиболее распространены обработка заготовок лезвийным и абразивным инструментами, которые формируют точность и качество поверхностей деталей. Лезвийным инструментом из сверхтвердых материалов можно обрабатывать заготовки с твердостью до 45 HRC, а абразивным инструментом целесообразно выполнять обработку металлов с более высокой твердостью.

Обработка лезвийным инструментом используется как процесс чистовой и тонкой обработки: тонкое точение, тонкое фрезерование, тонкое развертывание, протягивание, прошивание.

Сущность тонкого точения заключается в снятии стружки малого по толщине сечения при больших скоростях резания (100-1000 м/мин): для чугунных заготовок скорость резания составляет 100-150 м/мин; для стальных – 150-250 м/мин; для цветных сплавов – до 1000 м/мин. Подача устанавливается для предварительного хода – 0,15 мм/об, а для окончательного – 0,01 мм/об. Глубину резания принимают 0,2-0,3 и 0,05-0,01 мм соответственно.

Малые по толщине сечения стружки не вызывают больших усилий резания и значительных деформаций технологической системы СПИД, что обеспечивает 6-8-й квалитеты точности (при обработке цветных металлов и сплавов – 5-6-й квалитеты). Шероховатость поверхности у заготовок из черных металлов Ra = 2,50-0,63 мкм; цветных металлов – Ra = 0,32-0,16 мкм.

Тонкое точение применяется перед хонингованием, суперфинишированием, полированием и выполняется на высокооборотных станках (10-15 тыс. мин -1). Радиальное биение шпинделя не должно превышать 0,005 мм. Все вращающиеся детали должны быть точно отбалансированы.

Резцы оснащаются твердыми сплавами, алмазом, эльбором и другими режущими материалами с высокой износостойкостью. Тонкое обтачивание обеспечивает допуск размеров 5-80 мкм, овальность и конусообразность не более 3 мкм.

Тонкое фрезерование осуществляется преимущественно торцовыми фрезами при обработке плоских поверхностей. Фрезу устанавливают с уклоном 0,0001, чтобы исключить контакт с поверхностью зубьев, не участвующих в резании. При тонком фрезеровании снимается припуск 0,2-0,5 мм, а отклонение от плоскостности на 1 м длины составляет 0,02-0,04 мм. Шероховатость поверхности Ra= 2,5-0,63 мкм.

Тонкое развертывание обеспечивает высокую точность и малую шероховатость, однако не исправляет положения оси обрабатываемого отверстия, поскольку снимает равномерный припуск по всей поверхности. Тонкое развертывание обеспечивает точность, соответствующую 5-7-му квалитетам, Ra = 1,25-0,63 мкм, и чаще всего выполняется после сверления и зенкерования или чернового и чистового растачивания отверстий.

Протягивание применяется для обработки внутренних и наружных поверхностей. При чистовом протягивании цилиндрических отверстий обеспечивается точность 6-9-го квалитетов (шероховатость поверхности
Ra = 2,50-0,63 мкм), протягивание наружных поверхностей обеспечивает точность 11-го квалитета. Протягивание выполняется на горизонтальных и вертикальных станках, универсальных и специальных полуавтоматах и автоматах.

Прошивание осуществляется специальным инструментом (прошивкой), который проталкивают через обрабатываемое отверстие в заготовке с помощью пресса.

Появляются шероховатости в виде бугров и каналов, хорошо и слабо заметные, которые можно обнаружить лишь при помощи специальных приборов.

Данные неровности располагаются по направлению движения резца и выдают поперечную шероховатость. При обработке резцом важное значение имеет именно такая неровность, обусловленная конфигурацией и параметрами винтовых выступов. Высота ребра шероховатостей зависит от множества моментов и не может быть высчитана, а находится лишь путем проведения опытов.

Причины появления неровностей

• Если металл подвергался термической обработке, то шероховатость его поверхности становится меньше, так как увеличивается однородность его состава.
• Параметры подачи. При крупных – высота неровностей сильно отличается от заложенной и превышает ее.
• При скорости резки 4-6 м/мин параметры неровностей несущественны; с увеличением скорости резки неровности увеличиваются; при повышении скорости резки до 55-75 м/мин высота неровностей уменьшается, и при скорости 70 м/мин шероховатость поверхности получается самой маленькой. Следующее увеличение скорости резки незначительно влияет на шероховатость обработанной поверхности.
• Химический состав жидкости для смазки, используемой при токарной обработке, имеет значение. Лучших показателей можно добиться, если жидкость имеет масла, мыло, способные повысить ее свойства смазки.
• При несильном затуплении резца поверхность часто получается несколько лучше, чем при остром резце. При дальнейшем затуплении шероховатость поверхности увеличивается.
• Резцами из твердых материалов очень трудно получить ровную поверхность при обработке металлов.
• Важное значение имеют серьезные зазоры в подшипниках, неважная балансировка узлов станка, малая жесткость исходной детали, углы резца, его вылет. Эти явления при токарной обработке вызывают шероховатость поверхности продольного характера.

Эталоны чистоты

Если учитывать стоимость работы, то тщательная отделка поверхности всегда дороже грубой обработки. Поэтому для измерения класса чистоты детали применяются специальные приборы.

Данные классы иначе называют эталонами чистоты и определяются в цеховых условиях по уже проверенным образцам различных классов.

Шерохотоватость поверхности – это показатели, которые обозначают определенное количество данных характеризующих состояние неровностей поверхности измеряемых сверхмалыми отрезками при базовой величине длины. Совокупность показателей, обозначающих возможную ориентацию направлений неровностей поверхностей с определенными значениями и их характеристикой, задается в нормативных документах ГОСТ 2789-73, ГОСТ 25142-82, ГОСТ 2.309-73. Совокупность требований указанных в нормативных документах распространяется на изделия, изготовленные с использованием различных материалов, технологий и методов обработки, за исключением имеющихся дефектов.

Высокое качество обработки деталей позволяет значительно снизить износ поверхностей, возникновение очагов коррозии, тем самым повышая точность сборки механизмов их надежность при длительной эксплуатации.

Основные обозначения

Шероховатость исследуемой поверхности измеряются на допустимо небольших площадях, в связи с чем базовые линии выбирают, учитывая параметр снижения влияния волнообразного состояния поверхности на изменение высотных параметров.

Неровности на большинстве поверхностей возникают по причине образующихся деформаций верхнего слоя материала при осуществляемой обработке с использованием различных технологий. Очертания профиля получают при проведении обследования с помощью алмазной иглы, а отпечаток фиксируется на профилограмме. Основные параметры, характеризующие шероховатость поверхности имеют определенное буквенное обозначение, используемое в документации, чертежах и получаемые при проведении измерений деталей(Rz, Ra, Rmax, Sm, Si, Tp).

Для измерения неровности поверхности используют несколько определяющих параметров:

Также используются шаговые параметры Sm и Si и опорная длина исследуемого профиля tp. Данные параметры указываются при необходимости учитывать условия эксплуатации деталей. В большинстве случаев для измерений используется универсальный показатель Ra, который дает наиболее полную характеристику с учетом всех точек профиля. Значение средней высоты Rz применяется при возникновении затруднений связанных с определением Ra с использованием приборов. Подобные характеристики оказывают влияние на сопротивление и виброустойчивость, а также электропроводимость материалов.

Значения определений Ra и Rz указаны в специальных таблицах и при необходимости могут использоваться при проведении необходимых расчетов. Обычно определитель Ra обозначается без числового символа, другие показатели имеют необходимый символ. Согласно действующим нормативным актам (ГОСТ) существует шкала, в которой даны значения шероховатостей поверхности различных деталей, имеющих подробную разбивку на 14 специальных классов.

Существует прямая зависимость, определяющая характеристики обрабатываемой поверхности, чем выше показатель класса, тем меньшее значение имеет высота измеряемой поверхности и лучше качество обработки.

Методы осуществления контроля

Для осуществления контроля шероховатости поверхности используются два метода:

• качественный;
• количественный.

При проведении качественного контроля проводится сравнительный анализ поверхности рабочего исследуемого и стандартного образцов путем визуального осмотра и на ощупь. Для проведения исследования выпускаются специальные наборы образцов поверхностей имеющих регламентную обработку согласно ГОСТ 9378-75. Каждый образец имеет маркировку с указанием показателя Ra и метода воздействия на поверхностный слой материала (шлифовка, точение, фрезерование т.д.). Используя визуальный осмотр можно достаточно точно дать характеристику поверхностного слоя при характеристиках Ra=0.6-0.8 мкм и выше.

Количественный контроль поверхности проводится с использованием приборов работающих с применением разных технологий:

• профилометра;
• профилографа;
• двойного микроскопа.

Классификация поверхностей

При определении характеристики поверхностного слоя материала необходимо провести классификацию:

Нормативные данные также содержатся в ГОСТ 2.309-73 согласно, которому наносятся обозначения на чертежи и содержат характеристики поверхностей по установленным правилам и обязательны для всех промышленных предприятий. Необходимо также учитывать, что знаки и их форма, наносимые на чертежи должны иметь установленный размер с указанием числового значения неровности поверхности. Регламентируется высота знаков, указывается вид обработки.

Знак имеет специальный код, который расшифровывается следующим образом:

• первый знак – характеризует тип обработки исследуемого материала (точение, сверление, фрезерование и т.д.);
• второй знак — обозначает, что поверхностный слой материала не подвергался обработке, а образован путем ковки, литья, прокатки;
• третий знак – показывает, что вид возможной обработки не регламентируется, но должен соответствовать Ra или Rz.

В случае отсутствия знака на чертеже, поверхностный слой не подвергается специальной обработке.

На производстве используют два вида воздействия на верхний слой:

• с помощью частичного удаления верхнего слоя обрабатываемой детали;
• без удаления верхнего слоя детали.

При удалении верхнего слоя материала в основном используется специальный инструмент, предназначенный для выполнения определенных действий – сверления, фрезерования, шлифования, точения, и т.д. В ходе обработки происходит нарушение верхнего слоя материала с образованием остаточных следов от используемого инструмента.

Когда применяется обработка без удаления верхнего слоя материала – штамповка, прокат, литье, происходит смещение структурных слоев их деформация с принудительным созданием «гладко-волокнистой» структуры.

При конструировании и изготовлении деталей параметры неровностей задает конструктор, основываясь на техническом задании определяющим характеристики изделия в зависимости от требований, предъявляемых к изготовляемому механизму, технологии используемой при производстве и степени обработки.

Маркировка структуры поверхности

При нанесении обозначений в рабочей документации, чертежах применяются специальные знаки для характеристики материала, которые регламентируются стандартом ГОСТ 2.309-73.

Основные правила, используемые для обозначения неровности поверхности на чертежах

Основные правила, которые необходимо использовать при выполнении чертежа:

Учитывая структуру материала, конструктор имеет возможность указать необходимые параметры, предъявляемые к качеству поверхностей. Причем характеристики могут указываться по нескольким параметрам с установкой максимально и минимального значения с возможными допусками.

Особые условия

При массовом производстве определенных деталей иногда нарушается заданная форма или их сопряженность. Подобные нарушения увеличивают допустимый износ деталей, и ограничиваются специальными допусками, которые указаны в ГОСТ 2.308. Каждый вид используемого допуска имеет 16 определяющих степеней точности, которые оговариваются для деталей разной конфигурации с учетом используемого материала. Необходимо также учитывать, что используемые допуски размера и конфигурации для деталей имеющих цилиндрическую форму берутся с учетом диаметра деталей, а плоские детали с учетом толщины, а максимальная погрешность не должна превышать показатель допуска.

Правильное использование методики определения показателей шероховатости поверхностей позволяет достичь более высокой точности обработки и размера деталей при соблюдении параметров указанных в нормативных документах, которые дают возможность значительно повысить качество готового продукта.