Факторы, влияющие на шероховатость поверхности при обработке
Тема 4. Качество поверхности деталей
Эксплуатационные свойства деталей машин, их долговечность в значительной степени зависят от состояния их поверхностей.
Качество поверхности детали определяется геометрическими характеристиками и физико-механическими свойствами поверхностного слоя.
Поверхность, ограничивающую деталь и отделяющую ее от окружающей среды, называют реальной поверхностью.
Номинальная поверхность – это идеальная поверхность, форма которой задана чертежом или другой технической документацией.
Геометрические характеристики качества обработанной поверхности определяются отклонениями реальной поверхности от номинальной, т.е. неровностями различной формы и высоты. Эти отклонения условно можно разделить на разновидности: отклонения от правильной геометрической формы; волнистость; шероховатость.
Критерием этого деления может служить отношение протяженности отклонения L к величине отклонения h (рис. 4.1).
L
Рис.4.1.
Отклонение формы - геометрические отклонения, у которых отношение L/h более 1000.
Волнистость – совокупность периодически чередующихся возвышенностей и впадин с отношением L/h=50…1000.
Шероховатость – микроскопические отклонения с отношением L/h<50.
При механической обработке качество поверхности оценивается преимущественно шероховатостью.
Шероховатостью поверхности называют совокупность микро неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенную с помощью базовой длинны.
Термины и определения шероховатости поверхности установлены ГОСТом 25142-82.
Высота, форма, характер расположения и направление неровностей поверхности обрабатываемых заготовок зависят от следующих причин:
- режима обработки;
- условий охлаждения и смазывания обрабатываемого материала;
- геометрии и режущей способности режущего инструмента;
- типа и состояния оборудования и приспособлений и ряда других причин.
Шероховатость может быть:
- продольная образующая в параллельном направлении режущего инструмента;
- поперечная образующая в направлении перпендикулярном направлению движения режущего инструмента.
Параметры шероховатости
Шероховатость поверхности определяют по ее профилю, который образуется в сечении этой поверхности с плоскостью, перпендикулярной к нормальной поверхности. На рис.4.2. показаны основные параметры шероховатости поверхности.
Рис.4.2.
Базовая линия или поверхность – это линия или поверхность заданной геометрической формы, проведенная относительно профиля поверхности и служащая для оценки геометрических параметров шероховатости поверхности.
Базовая длина l –длина базовой линии, используемая для определения параметров шероховатости поверхности. Значение базовых длин могут быть равны 0.01; 0.03; 0.08; 2.5; 8 и 25мм. Шероховатость поверхности определяется на длине L, которая может содержать одну или несколько базовых длин l.
Значение параметров шероховатости поверхности определяется от единой базы, за которую принята средняя линия.
Cредняя линия - m - базовая линия, проведенная так, что в пределах базовой длины среднеквадратичное отклонение профиля от этой линии минимально.
- i–e отклонение выступа от средней линии.
- I-е отклонение впадин от средней линии.
По ГОСТ 2789-82 установлено шесть параметров шероховатости поверхности:
1. – среднее арифметическое отклонение профиля в пределах базовой длины
, (4.1)
или приближенно
, (4.2)
где - базовая длина;
n – число измерений на базовой длине.
2. - высота поверхностей профиля по десяти точкам – сумма средних абсолютных значений пяти наибольших выступов и пяти наименьших впадин в пределах базовой длины.
, (4.3)
где - высота i-ого наибольшего выступа;
- глубина i –ой наибольшей впадины.
3. – наибольшая высота неровностей профиля – это расстояние между линией выступов и линией впадин в пределах базовой длины.
4. – средний шаг неровностей профиля в пределах базовой длины
, (4.4)
где n – число шагов неровностей по вершинам в пределах базовой длины;
- шаг неровностей i-го профиля, равный длине отрезка средней линии, ограничивающей неровность профиля.
5. – средний шаг местных выступов профиля в пределах базовой длины
, (4.5)
где n – число шагов неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины;
- шаг неровностей профиля по вершинам, равный отрезку средней линии между проекциями двух наивысших точек соседних выступов профиля.
6. – относительная опорная длина профиля.
, (4.6)
где - опорная длина профиля, равная сумме отрезков , отсекаемых на уровне ;
- длина опорной длины выступа на расстоянии Р от средней линии.
ГОСТом 2789-73 установлены 14 классов чистоты поверхности.
Максимальные значения шероховатости и на базовой длине l должны соответствовать данным табл.4.1.
Таблица 4.1
| Класс чистоты поверхности | , мкм | , мкм | Базовая длина l, мм |
| 2,5 | |||
| 2,5 1,125 0,63 | 6,3 3,2 | 0,8 | |
| 0,32 0,16 0,08 0,04 | 1,6 0,8 0,4 0,2 | 0,25 | |
| 0,02 0,01 | 0,1 0,05 | 0,08 |
В табл. 4.2 приведены рекомендуемые значения параметров шероховатости R a и R z в зависимости от частоты обрабатываемой поверхности.
Таблица 4.2
| Качество обработки | Ra, мкм | Rz , мкм | шероховатости |
| черновая обработка | 12,5 | ||
| чистовая обработка | 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 | 12,5 6,3 1,6 | |
| доводочная обработка | 0,2 0,1 0,05 0,025 0,012 | 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 |
Классы точности с 6 по 14 дополнительно подразделяются еще на разряды (табл. 4.3).
Таблица 4.3
| Класс чистоты поверхности | Rz, мкм | Rz , мкм | ||||
| А | Б | В | А | Б | В | |
| 2,5 1,25 0,63 0,32 0,16 0,08 0,04 0,02 0,01 | 2,0 1,0 0,5 0,25 0,125 0,063 0,032 0,016 0,008 | 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025 0,012 0,006 | 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 | 2,5 1,25 0,63 0,32 0,16 0,08 0,04 | - 0,5 0,25 0,125 0,063 0,032 |
ГОСТ 2.309-73 устанавливает обозначение шероховатости и правила нанесения ее на чертежах:
- обозначение шероховатости поверхности, вид обработки которой конструктор не устанавливает.
- шероховатость поверхности, полученной с удалением слоя материала (точение, сверление, фрезерование, шлифование и т.д.).
- шероховатость поверхности, полученная без удаления слоя материала (литье, ковка, штамповка, волочение и др.).
Требования к шероховатости поверхности по одному или нескольким параметрам с указанием их численных значений или диапазона значений, указываются на значке шероховатости.
На рис.4.3 показано, какие параметры указываются на значке шероховатости.
Рис. 4.3.
Факторы, влияющие на шероховатость поверхности при обработке
Шероховатость поверхности в процессе обработки зависит от следующих факторов: метода обработки, режима обработки, геометрических параметров и качества режущей части инструмента, пластической и упругой деформации материала заготовки или детали, жесткости системы СПИД, смазочно-охлаждающей жидкости и т.д.
Каждый метод обработки позволяет получить поверхность детали с определенным диапазоном величины шероховатости (см. табл.4.4).
Так обдирочное точение – 1…4 класс чистоты; чистовое точение – 4…7 класс, тонкое точение – 7…9 класс.
Грубое шлифование - 6…7 класс, чистовое шлифование – 8…9 класс, тонкое шлифование – 9…11 класс и т.д. В зависимости от класса чистоты, указанной на чертеже для поверхности детали, конструктор и технолог выбирают соответствующий метод ее обработки.
Шероховатость обработанной поверхности – это, прежде всего след рабочего движения режущей кромки инструмента, контактируемой с обрабатываемой поверхностью. Высоту этой шероховатости можно определить расчетным путем, в зависимости от геометрических параметров режущей части инструмента и режима обработки.
Сильное влияние на искажение расчетной высоты неровностей поверхности оказывают пластическая деформация материала заготовки при обработке материалов, которые не дают наростов на режущем инструменте, влияние деформации на величину Rz объясняется распространением волны деформации в сторону соседнего слоя, а при обработке
материалов, дающих нарост, добавляется еще действие вершины нароста, в результате чего на поверхности детали образуются зазоры.
Влияние упругих деформаций материала детали на Rz является следствием наличия на лезвии любого режущего инструмента притупления, что вызывает упругие деформации материала около режущей кромки. Минуя ее, материал заготовки приподнимается и занимает прежнее положение.
Все неровности лезвия режущего инструмента копируются на обрабатываемой поверхности.
Из параметров режима обработки на величину шероховатости наибольшее влияние оказывает скорость резания и подача.
При обработке материалов, не образующих нарост, шероховатость поверхности практически не зависит от скорости резания, а при обработке материалов, образующих нарост, зависит. Так зависимость изменения Rz от скорости резания Vp можно разбить на четыре зоны, показанных на рис.4.4.
Рис.4.4. Изменение шероховатости от скорости резания
Таблица 4.4
| Обрабатывамые поверхности | Методы обработки | Классы частоты | |||||||||||||||
| Наружные цилиндрические | Точение | обдирочное чистовое тонкое | Х | Х | Х | Х Х | Х | Х | Х Х | Х | Х | ||||||
| Шлифование | грубое чистовое тонкое | Х | Х | Х | Х Х | Х | Х | ||||||||||
| Притирка | средняя тонкая | Х | Х | Х | Х | Х | Х | ||||||||||
| Обкатывание роликом | Х | Х | Х | ||||||||||||||
| Суперфини ширование | чистовое тонкое | Х | Х | Х | Х | ||||||||||||
| Внутренние цилиндрические | Растачивание | обдирочное чистовое тонкое | Х | Х | Х | Х | Х | Х | Х | Х | Х | Х | |||||
| Сверление | Х | Х | Х | ||||||||||||||
| Зенкерование | черновое чистое | Х | Х | Х Х | Х | Х | |||||||||||
| Развертывание | чистое отделочное | Х | Х Х | Х | Х | ||||||||||||
| Протягивание | чистое отделочное | Х | Х | Х | Х | Х | |||||||||||
| Внутреннее Шлифование | чистое тонкое | Х | Х Х | Х | Х | ||||||||||||
| Калибровка шариком | Х | Х | Х | ||||||||||||||
| Притирка | средняя тонкая | Х | Х | Х | Х | Х | Х | ||||||||||
| Хонингование | предварител. окончательн. | Х | Х | Х Х | Х | ||||||||||||
| Плоские | Строгание | обдирочное чистое тонкое | Х | Х | Х Х | Х | Х | Х | Х Х | Х | Х | ||||||
| Цилиндрическое фрезерование | обдирочное чистовое | Х | Х | Х Х | Х Х | Х | |||||||||||
| Торцевое фрезерование | обдирочное чистовое | Х | Х | Х Х | Х Х | Х | |||||||||||
| Плоское шлифование | грубое чистовое тонкое | Х | Х | Х | Х Х | Х | |||||||||||
| Притирка | средняя тонкая | Х | Х | Х | Х | Х | Х | Х | |||||||||
Первая зона соответствует малым скоростям резания (до 1м/мин) и характеризуется тем, что нарост в ней отсутствует, и шероховатость не зависит от Vp
Вторая зона характеризуется увеличением нароста и при Vp = 25…30м/мин нарост наибольший, а поверхность имеет наибольшую шероховатость. С ростом Vp от 30 до 80 м/мин нарост постепенно уменьшается и шероховатость также уменьшается.
При Vp > 80 м/мин нарост вновь исчезает и шероховатость поверхности близка к расчетной.
С увеличением подачи шероховатость при любом способе обработки возрастает, поэтому для снижения значений показателей шероховатости необходимо максимально уменьшить подачу (шаг резания).
Глубина резания незначительно влияет на шероховатость поверхности, однако изменение глубины резания сказывается на упругой и пластической деформации заготовки и инструмента, что отражается на шероховатости поверхности.
Применение смазочно-охлаждающих жидкостей способствует уменьшению параметров шероховатости. При холодной штамповке пуансон и матрицу смазывают, а при обработке резанием применяют водоэмульсионное охлаждение.