Рубрика: Механическая обработка
Даже идеально выдержанный по размеру вал может быстро изнашиваться, протекать в уплотнении или плохо держать посадку, если его поверхность слишком грубая. И наоборот: требование зеркальной поверхности там, где она не нужна, увеличивает стоимость детали в разы. Шероховатость — один из ключевых параметров качества, который напрямую определяет и работоспособность детали, и её цену. Разбираемся, как её обозначают, измеряют и как выбрать разумное значение.
Любая обработанная поверхность под увеличением выглядит как чередование выступов и впадин. Их оставляют вершина резца, зёрна шлифовального круга, вибрации, пластическая деформация металла. Совокупность неровностей с относительно малым шагом на базовой длине называют шероховатостью.
Шероховатость отличают от волнистости и отклонений формы. Волнистость — неровности с большим шагом, обычно от вибраций или биения шпинделя. Отклонение формы — макрогеометрия: конусность, овальность, неплоскостность. Все три характеристики контролируются по-разному и указываются на чертеже отдельно.
Параметры шероховатости определены в ГОСТ 2789. На практике в машиностроении используются в основном два.
Ra — среднее абсолютное отклонение точек профиля от средней линии в пределах базовой длины. Это наиболее распространённый и легко измеряемый параметр, который хорошо характеризует поверхности после большинства видов механической обработки. Однако Ra «усредняет» профиль: две поверхности с одинаковым Ra могут иметь разную форму неровностей — с острыми пиками или с плоскими площадками и глубокими впадинами.
Rz характеризует размах профиля — сумму средних высот наибольших выступов и средних глубин наибольших впадин. Его назначают для грубых поверхностей, а также там, где важны именно экстремальные неровности, например под покрытия или для поверхностей, которые должны выдерживать большие контактные нагрузки. Для типичной обработки резанием Rz примерно в 4–6 раз больше Ra.
Для специальных задач используют Rmax — наибольшую высоту профиля, Sm — средний шаг неровностей, tp — относительную опорную длину профиля. Опорная длина особенно важна для поверхностей трения и уплотнений: она показывает, какая доля поверхности реально несёт нагрузку на заданном уровне сечения.
Правила обозначения установлены ГОСТ 2.309. Знак шероховатости ставится на линии контура, выносной линии или полке линии-выноски.
| Знак | Значение |
|---|---|
| Галочка без дополнительных элементов | Способ обработки не регламентируется |
| Галочка с горизонтальной чертой | Поверхность образуется удалением слоя материала: точением, фрезерованием, шлифованием |
| Галочка с кружком | Поверхность без удаления материала: литьё, прокат, ковка, или сохраняется в состоянии поставки |
Над знаком указывается параметр с числовым значением, например Ra 1,6 или Rz 20. Если требуется, на полке знака записывают способ обработки, а рядом — направление неровностей: параллельное, перпендикулярное, перекрещивающееся, кругообразное. Обозначение одинаковой шероховатости для большинства поверхностей выносят в правый верхний угол чертежа, а знак в скобках после него означает «остальные поверхности».
Каждый способ обработки имеет свой экономически оправданный диапазон шероховатости. Выход за него требует снижения режимов, дополнительных проходов или другой операции.
| Метод обработки | Ra, мкм (экономичный диапазон) |
|---|---|
| Отрезка, черновое точение и фрезерование | 25–6,3 |
| Сверление | 12,5–3,2 |
| Чистовое точение и фрезерование | 3,2–0,8 |
| Развёртывание | 1,6–0,8 |
| Протягивание | 1,6–0,4 |
| Шлифование круглое и плоское | 0,8–0,2 |
| Хонингование | 0,4–0,1 |
| Доводка, полирование, суперфиниширование | 0,1–0,02 |
| Электроэрозионная обработка | 3,2–0,4 в зависимости от режима |
При точении теоретическая высота неровностей определяется подачей и радиусом при вершине резца: чем больше радиус и меньше подача, тем глаже поверхность. На практике к этому добавляются вибрации, наросты на кромке, износ инструмента, свойства материала. Вязкие стали и чистый алюминий склонны к налипанию, а закалённые стали и чугуны при правильном инструменте дают чистую поверхность. При фрезеровании важны биение зубьев фрезы, жёсткость крепления и направление фрезерования — попутное обычно даёт лучшую поверхность.
Основной инструмент контроля — профилометр с алмазной иглой. Игла перемещается по поверхности на заданной длине трассы, прибор регистрирует профиль и рассчитывает параметры Ra, Rz и другие. Профилометр даёт объективный численный результат, но требует правильного выбора базовой длины и направления трассы — поперёк следов обработки.
Наборы образцов сравнения позволяют визуально и на ощупь оценить шероховатость прямо у станка. Образцы изготавливаются для разных методов обработки, и сравнивать нужно с образцом того же метода: точёная и шлифованная поверхности с одинаковым Ra выглядят совершенно по-разному. Метод быстрый, но субъективный и пригоден для значений примерно от Ra 0,4 и грубее.
Для мягких материалов, где игла может оставить царапину, и для очень гладких поверхностей применяют оптические профилометры, интерферометры, лазерные сканеры. Они дают трёхмерную карту поверхности, но требуют лабораторных условий.
Шероховатость глубоких отверстий и пазов измеряют профилометрами с удлинёнными датчиками или методом слепков: на поверхность наносится специальный состав, который затем снимается и измеряется вне детали.
Назначать шероховатость следует от функции поверхности, а не «по аналогии» или «на всякий случай».
Шероховатость должна соответствовать точности размера: на поверхности 6–7 квалитета высота неровностей не может «съедать» значительную часть допуска. Практическое правило — Rz не должен превышать четверти–трети допуска размера. Нет смысла назначать Ra 0,4 на размер по 12 квалитету и, наоборот, нельзя получить 6 квалитет на поверхности с Ra 6,3.
Если деталь будет закаливаться, покрываться или подвергаться другим операциям, шероховатость нужно планировать с учётом всей цепочки.
Подробнее о вариантах защитных и износостойких слоёв — в разделе нанесения покрытий.
Распространённый маршрут для валов — чистовое точение с припуском, поверхностная закалка шеек и последующее шлифование. В этом случае шероховатость после токарной операции может быть умеренной, около Ra 3,2: всё равно её снимет шлифовальный круг. Требовать на токарном этапе Ra 0,8 бессмысленно, это лишь удорожает промежуточную операцию. Окончательное значение — Ra 0,4–0,8 для шеек под подшипники и уплотнения — обеспечивается шлифованием, которое одновременно исправляет поводки после термообработки. Если технологическая цепочка на детали длинная, имеет смысл указывать в чертеже шероховатость только для окончательного состояния, а промежуточные значения оставить на усмотрение технолога.
Каждый шаг ряда шероховатости вниз увеличивает трудоёмкость. Переход от Ra 3,2 к Ra 1,6 на токарной операции обычно требует только чистового прохода. Ra 0,8 часто достигается тонким точением, но надёжнее шлифованием. Ra 0,2 и ниже — это уже тонкое шлифование, полирование или суперфиниширование, то есть отдельная операция, нередко на другом станке.
Шероховатость — такой же функциональный параметр, как размер и допуск. Ra удобен для большинства обработанных поверхностей, Rz — для грубых поверхностей и поверхностей под покрытия. Значение выбирается по функции поверхности и согласуется с допуском размера, а способ контроля — по материалу и доступности поверхности. Обоснованно назначенная шероховатость позволяет получить надёжную деталь без лишних операций. Специалисты «ВМС» подскажут, какой метод обработки обеспечит нужный параметр с минимальными затратами, и выполнят контроль шероховатости готовых деталей.
