Основой для определения шероховатости поверхности…

Шероховатость поверхности Ra и Rz

Шероховатость поверхности измеряется в микрометрах (1 мкм = 0,001 мм) и оценивается обычно по двум параметрам Rz и Ra.

Rz — это высота неровностей профиля по 10 точкам в то время как Ra — это среднее арифметическое отклонение профиля.

Примерное соответствие этих параметров друг другу с привязкой к классу чистоты шероховатости поверхности смотрите в таблице приведенной ниже:

Класс чистоты поверхности	Среднеарифметическое отклонения профиля Ra, мкм	Высота неровностей Rz, мкм	Базовая длина l, мм
	не более
1	80	320	8
2	40	160	8
3	20	80	8
4	10	40	2,5
5	5	20	2,5
6	2,5	10	0,8
7	1,25	6,3	0,8
8	0,63	3,2	0,8
9	0,32	1,6	0,25
10	0,16	0,8	0,25
11	0,08	0,4	0,25
12	0,04	0,2	0,25
13	0,02	0,1	0,08
14	0,01	0,05	0,08

Черчение

Общие сведения. На любой обработанной поверхности при сильном увеличении хорошо заметны следы режущих кромок инструментов и зерен шлифованных кругов в виде близко расположенных друг к другу впадин и гребешков продольных 2 и поперечных 1 (рис. 123, I). Совокупность всех микронеровностей, образующих рельеф поверхности детали, называется шероховатостью.

Величина шероховатости или микронеровностей, определяемая высотой гребешков и глубиной впадин, оказывает весьма сущест­венное влияние на эксплуатаци­онные характеристики деталей — трение, износоустойчивость, прочность, антикоррозионную стойкость и т. д. Чем больше высо­та неровностей, тем сильнее сцеп­ление между гребешками, а пото­му при относительном перемеще­нии поверхностей следует затра­тить некоторую силу, чтобы пре­одолеть это сцепление, т. е. тре­ние, что ведет к уменьшению КПД машины. Соприкосновение дета­лей происходит по вершинам вы­ступов микронеровностей (см. рис. 123, II), образующим так на­зываемую контактную поверх­ность. Контактная поверхность обычно всегда меньше реальной, т. е. общей поверхности детали. Даже после тонкой шлифовки со­единяемых деталей контактная поверхность в 2…3 раза меньше номинальной. При обычной же чистовой обработке резцом дейст­вительная площадь касания со­ставляет менее 20% реальной.

В зависимости от назначения и условий работы деталей машин допус­кают различную шероховатость их поверхности. И на одной и той же де­тали шероховатости ее различных поверхностей могут очень сильно отли­чаться друг от друга.

Почему же нельзя все поверхности деталей делать с минимально воз­можной шероховатостью? Объясняется это тем, что такая обработка по­верхности требует значительных затрат труда. Правильное назначение кон­структором шероховатости поверхности, соответствующей условиям рабо­ты детали, имеет огромное значение в машиностроении.

Требования к шероховатости поверхности. Согласно ГОСТ 2789-73 требования к шероховатости поверхности должны быть обоснованными и устанавливаться, исходя из функционального назначения поверхности. Ес­ли требований к шероховатости поверхностей не установлено, то она не под­лежит контролю.

Требования к шероховатости поверхности должны устанавливаться пу­тем указания числового значения параметра (параметров) и значений базо­вой длины, на которой происходит определение параметра. Шероховатость поверхности оценивается количественно или качественно. Количественная оценка состоит в определений высоты шероховатости по одному из ниже указанных параметров при помощи приборов. Качественная оценка шеро­ховатости заключается в сравнении ее с образцами.

Понятие о параметрах шероховатости поверхности. Стандарт ГОСТ 2789-73 предусматривает шесть параметров.

Ra — среднее арифметическое отклонение профиля;

Rz— высота неровностей профиля по десяти точкам;

Rmax — наибольшая высота профиля.

S — средний шаг неровностей профиля по вершинам;

Sm — средний шаг неровностей профиля по средней линии: tp — относительная опорная длина профиля.

Все определения параметров приведены в справочном приложении к ГОСТ 2789-73. Остановимся теперь подробнее на двух основных параметрах по ГОСТ 2789-73, обозначаемых символами Rа и Rz. Среднее арифметическое от­клонение профиля Ra определяется как среднее значение расстояний отдель­ных точек профиля Y1, Y2 … Yn до средней линии гребешков ОХ (рис. 124).

где: n — число точек;

Y1 … Yn — расстояние отдельных точек профиля до средней линии ОХ Высоту неровностей профиля по десяти точкам Rz определяют как сред­нее значение между пятью высшими точками выступов и пятью низшими точками впадин профиля:

где: H1 … Н10 — перпендикуляры из точек выступов (высших и низших) параллельно линии ОХ. Стандарт ГОСТ 2789-73 устанавливает предельные значения величин Ra и Rz, обозначаемые на чертежах числовой величиной шероховатости в микрометрах (мкм). Пять высших точек выступов и пять низших точек впадин (см. рис. 124) берут в пределах базовой длины l — дли­ны участка поверхности, принятого для измерения шероховатости.

Базовой называется длина участка поверхности, характеризующая ше­роховатость поверхности и используемая для количественного определения ее параметров.

Предельные значения величин Rа и Rz, обозначаемые на чертежах чис­ловой величиной шероховатости в микрометрах, установлены ГОСТ 2789- 73. Этим же стандартом подразделение шероховатости на классы проведено по двум параметрам Ra и Rz, но каждый класс определен только по одному из этих параметров и базовой длине. Такое уточнение класса шероховатос­ти сделано для однозначности контроля.

Обозначение требований к шероховатости поверхностей в соответствии с ГОСТ 2789-73 и правила нанесения их в технической документации определены ГОСТ 2.309-73.

При установлении требований к шероховатости поверхностей из эксплу­атационных соображений следует учитывать возможность обеспечения их в процессе изготовления изделия.

7.4. Метрологический контроль шероховатости поверхности. При мет­рологическом контроле шероховатости поверхностей обычно решают две задачи: 1 — определяют принадлежность контролируемой поверхности к назначенному классу шероховатости, 2 — определяют годность поверхнос­ти детали в отношении требований к шероховатости поверхности, если класс шероховатости поверхности не грубее указанного в технической до­кументации.

Приборы, используемые для определения шероховатости по Rа или Rz, разделяются на две группы: контактные (профилографы и профилометры) и бесконтактные (оптические).

Работа профилографов основана на фотозаписи луча света, очерчиваю­щего в увеличенном виде профиль неровности проверяемой поверхности при скольжении по ней алмазной иглы.

На рис. 125 представлена схема наиболее широко применяющегося в практике оптико-механического профилографа. Алмазная игла 1, скользящая по проверяемой поверхности, связана с зеркалом 2, на которое падает от лампы луч света, проходящий через диафрагму 8 и линзу 6. Колебания алмазной иглы, скользящей по шероховатой поверхности, изменяют на­правление отраженного от зеркала луча света, и он через систему зеркал 3 … 5 попадает на вращающийся барабан 7 со светочувствительной бумагой. После проявления на бумаге остается след отраженного зеркалами луча све­та, который прочертил в увеличенном масштабе (фотозапись луча) микро­профиль шероховатой поверхности — профилограмму. Профилограмма очень важна в оценке износостойкости поверхности детали.

Шероховатость поверхности образуется в направлении главного движе­ния — движения резания вдоль обработочных рисок (продольная шерохо­ватость) и в направлении поперечной подачи (поперечная шероховатость). Форма, размер и расположение неровностей зависят от способа обработки. Меняя способ обработки, можно изменять характер и расположение неров­ностей. Оценка класса шероховатости поверхности детали производится из­мерением ее в направлении наибольшего значения, т. е. поперечной шеро­ховатости, которая обычно в 2 … 3 раза превышает продольную шерохова­тость.

Числовые значения параметров шероховатости Rа и Rz в таблице классов ГОСТ 2789-78 заданы в виде диапазонов. Классы 1 … 5, 13 и 14 определены через параметр классы 6 … 12 — через параметр Rа. Такое разделение произведено с учетом возможностей измерения этих параметров существую­щими измерительными средствами. Так профилометры служат для непо­средственного измерения параметра Rа в пределах 6 … 12 классов, а профилографы и оптические приборы одновременного преобразования профиля (микроинтерферометры, приборы светового сечения, растровые микроско­пы) позволяют измерить параметр Rz с наибольшей трудоемкостью.

Это обеспечивает однозначность понятия «класс шероховатости» и кон­троля шероховатости в соответствии с требованиями технической докумен­тации.

7.5. Выбор шероховатости для поверхностей деталей. Характер и вели­чина шероховатости поверхности детали зависят от вида ее механической обработки. При выполнении чертежей деталей в процессе деталирования сборочного чертежа и при выполнении эскизов деталей с натуры приходит­ся решать вопросы, связанные с назначением (выбором) шероховатости по­верхностей.

В любом соединении есть соприкасающиеся поверхности двух или не­скольких деталей. По тому, насколько плотно или свободно это касание, можно судить о подвижности деталей, входящих в соединение. Характер соединения позволяет назначить шероховатость поверхностей детали.

По назначению и взаимодействию поверхности деталей разделяют на две основные группы: 1 — сопрягаемые поверхности — поверхности соприкос­новения и взаимодействия двух или нескольких деталей в соединении; 2 — свободные поверхности — поверхности, которые с поверхностями других деталей не взаимодействуют.

Количество сопрягаемых поверхностей определяет степень подвижности или плотности сборки деталей. Количество свободных поверхностей опре­деляет степень простоты изготовления деталей.

Назначение числовых значений параметров шероховатости сопрягае­мых поверхностей зависит от необходимой точности соединений, от требо­ваний к внешнему виду и эксплуатационных свойств (уменьшение трения, удобство и безопасность обслуживания машины и пр.).

Прямой связи между точностью изготовления и шероховатостью не су­ществует, так как всегда можно предъявить высокие требования к шерохо­ватости поверхности при весьма неточном изготовлении ее. Однако, чем меньше поле допуска, тем более высокие требования предъявляются к ше­роховатости поверхности. Это позволяет ориентировочно выбирать мини­мально необходимую шероховатость поверхности детали в зависимости от допуска с помощью диаграммы (рис. 126).

Наибольший диаметр ступенчатого валика, приведенного на том же чер­теже в качестве примера, обозначен ?52_0 019. По таблице полей допусков валов ГОСТ 25347-82 (см. табл. 12) в колонке h6 определяем предельные от­клонения для вала диаметром 0 52 мм. Они составляют 19 мкм. Следова­тельно, допуск равен 19 мкм. Теперь, пользуясь диаграммой, находим па­раметр шероховатости поверхности.

Как видно из диаграммы, допуску 19 мкм должна соответствовать шеро­ховатость поверхности параметра Rа в диапазоне 0,63 … 1,25 мкм.

Примечание. Заштрихованное между двумя кривыми линиями поле ог­раничивает пределы достигаемой шероховатости поверхности при одной и той же точности изготовления.

Аналогично можно установить шероховатости и для размера ?30-0 013.

Средства измерения шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности можно измерить двумя способами:

• Визуальный метод сравнения поверхности с эталоном (сравнение на ощупь)
• Прибором для измерения шероховатости

Для экспресс оценки в машиностроительной, ремонтной и приборостроительной отраслях промышленности, где допускаются отклонения от проектной величины, как правило, используют визуальный метод сравнения. В качестве эталонов используют образцы шероховатости, полученные различными способами обработки и имеющие заранее известное значение шероховатости.

Для более точного измерения шероховатости поверхности, в местах где требуется строгое соответствие проектным величинам, применяют специальные приборы: профилометры или профилографы. С помощью профилографа получают так называемую профилограмму, которая требует дополнительной расшифровки, в то время как профилометр сразу показывает точное значение неровности по заданным параметрам. Существуют как портативные профилометры применяемые в «полевых» условиях, так и стационарные приборы, которые используются в метрологических лабораториях для непосредственной калибровки эталонов шероховатости, а так же в учебных целях.

Исходя из выше сказанного можно сделать вывод, что контроль поверхности важно проводить в тех случаях, когда необходимо износостойкость, антикоррозийную стойкость и исключить возможность появления поверхностных трещин от усталости металла. Иногда низкий уровень шероховатости нужно получить не только для технических характеристик детали, но и для ее эстетического вида.

Метрология

Как упоминалось в предыдущей статье, изготовить любую деталь в соответствии с номинальными требованиями невозможно – всегда присутствуют погрешности размеров и форм, обусловленные несовершенством технологии, оборудования и средств измерения, а также человеческим фактором.
Отклонения геометрических параметров, таких, как прямолинейность, круглость и плоскостность, выражаются в макро- и микронеровностях, которые, в зависимости от характера погрешностей формы называют волнистостью или шероховатостью.

Шероховатость поверхности — совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами.
Для отделения шероховатости поверхности от других неровностей с относительно большими шагами (отклонения формы и волнистости) её рассматривают в пределах ограниченного участка, длина которого называется базовой длиной . Волнистость и другие виды отклонения формы и профиля на ограниченном базовой длиной участке имеют единичные отклонения от номинальной линии профиля (поверхности), а шероховатость на таком же участке характеризуется многочисленными выступами и впадинами (см. рис. 1).

Шероховатость поверхности оценивается по неровностям профиля (выступам и впадинам), получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью.
Числовые значения параметров шероховатости поверхности определяют от единой базы, за которую принята средняя линия профиля, т.е. базовая линия .
Для количественной оценки шероховатости и обозначения ее в технических документах (чертежах, конструкторской и технологической документации) наиболее часто используют три основных параметра:

Ra — среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины, т. е. учитываются размеры всех выступов и впадин на протяжении базовой длины, по которым определяется среднее арифметическое значение отклонения от базовой линии.

Rz — высота неровностей по десяти точкам (сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины).

R_max — наибольшая высота неровностей профиля в пределах базовой длины, заключающаяся в разности между максимальными выступом и впадиной в пределах базовой длины.

Предпочтительным является параметр Ra , поскольку определяется по большему количеству точек профиля и наиболее точно оценивает шероховатость исследуемой поверхности по базовой длине. В связи с этим параметром Ra нормируется шероховатость образцов сравнения, используемых для оценки шероховатости в промышленности и машиностроении.

Параметры R_max и Rz используют в тех случаях, когда по функциональным требованиям необходимо ограничить полную высоту неровности профиля, а также когда прямой контроль Ra с помощью профилометров или образцов сравнения не представляется возможным (поверхности, имеющие малые размеры или сложную конфигурацию, например режущий инструмент).

Требования к шероховатости поверхности устанавливают исходя из функционального назначения поверхности для обеспечения заданного качества изделий. Если в этом нет необходимости, то требования к шероховатости не устанавливают и шероховатость поверхности не контролируют.

Способы измерения шероховатости поверхностей

В машиностроении наиболее часто используют следующие способы измерения шероховатости поверхностей:

• Визуальный , заключающийся в сравнении образца с измерительным эталоном (шаблоном);
• Бесконтактный — при помощи микроскопа со специальной шкалой отклонений формы поверхности;
• Контактный при помощи специального прибора — профилометра.

Обозначение шероховатости поверхностей на чертежах

Правила нанесения обозначения шероховатости поверхностей на чертежах установлены ГОСТ 2.309-73 (СТ СЭВ 1632-79).
Исходя из числовых значений параметров Ra и Rz ГОСТ 2789–73 устанавливает 14 классов шероховатости. Наиболее распространенными в машиностроении являются 1 – 8 классы (таблица 1).

Контроль и оптимизация процессов полирования путем измерения шероховатости поверхности с помощью конфокального лазерного микроскопа модели SRA компании KRUSS

Для обеспечения заданного качества механической обработки деталей их шлифуют и полируют, чтобы достичь определенного значения шероховатости поверхности. Данный комплексный параметр играет определяющую роль в плане механических (трение, сопротивление потоку) и химико-физических (подверженность коррозии, смачиваемость, адгезия) свойств поверхностей деталей.

В стандарте ISO 4288 и, в частности, в стандарте ISO 25178 приведены различные методы определения шероховатости поверхности. Среди наиболее значимых можно выделить метод трехмерного оптического анализа шероховатости с применением средств конфокальной микроскопии.

Цель данной работы — демонстрация возможностей применения конфокального лазерного микроскопа SRA компании KRUSS в качестве измерителя шероховатости в соответствии с нормативными требованиями для оптимизации процесса полировки. Оптимизация процесса подразумевает установление корреляции параметров шероховатости с зернистостью применяемой наждачной бумаги и определения оптимальных показателей. На практике выявление подобных корреляций позволяет оптимизировать технологические процессы полирования, а также иные этапы обработки поверхности для получения заданной шероховатости. В настоящем эксперименте был смоделирован процесс полирования заготовок на станке с использованием мелкозернистой наждачной бумаги разной зернистости и последующим измерением достигнутой шероховатости поверхности. На основании результатов измерений необходимо определить зернистость, при которой возможно получение заданного значения шероховатости.

Общие сведения

Зачастую механическую обработку поверхности проводят для получения максимальной чистоты. Однако требуемый уровень шероховатости или текстура заготовки зависит от ее предполагаемого использования. Другими словами, нецелесообразно добиваться избыточной чистоты. И здесь открывается возможность для экономии. Конфокальная микроскопия является идеальным методом проверки качества указанных текстур поверхности, поскольку она позволяет быстро получать трехмерное изображение профиля поверхности, в связи с чем, можно регистрировать не только общие параметры шероховатости, но и ее возможную зависимость от направления. Кроме того, благодаря широкому диапазону разрешения система регистрирует такие параметры, как волнистость и форму.

Таким образом, применение таких конфокальных микроскопов, как SRA обеспечивает широкий спектр возможностей для точного контроля шероховатости поверхности, структуры и форм рабочих поверхностей. А измерения в режиме реального времени позволяют применять эти приборы для оценки шероховатости поверхности в системах контроля качества на производстве.

Еще одно преимущество конфокальной микроскопии заключается в бесконтактном характере данного метода измерений, что позволяет исключить повреждения образцов.

Данные настоящего отчета получены в ходе простого процесса полирования, выполненного для демонстрации того, каким образом полученные с помощью SRA показатели шероховатости можно соотнести с технологическими параметрами (в данном примере – с зернистостью бумаги).

Экспериментальная часть

Объектами исследования послужили поверхности четырех листов из нержавеющей стали после сухой абразивной обработки с использованием наждачной бумаги разной зернистости длительностью 5 минут.