Шероховатость поверхности

На поверхности детали после ее обработки остаются следы от кромок режущего инструмента в виде неровностей и гребешков, близко расположенных друг от друга. Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей с относительно малыми шагами, выделенная на базовой длине (L). Шероховатость поверхностей влияет на эксплуатационные свойства деталей машин и механизмов. В подвижных посадках за счет износа поверхностей увеличивается зазор. В соединениях с натягом ослабляется прочность соединения и величина натяга за счет смятия гребешков. Шероховатость влияет на герметичность соединения, коррозионную стойкость, усталостную прочность и другие качественные показатели изделия.

Для нормирования шероховатости поверхностей по ГОСТ 2789 установлено (рисунок 3.1) шесть параметров: три высотных (Ra; Rz; Rmax), два шаговых (Sm; S)и параметр относительной опорной длины профиля (tp).

Рисунок 3.1 – Профилограмма шероховатости поверхности

Характеристика параметров шероховатости:

Ra – среднее арифметическое отклонение профиля, мкм:

,

где у_i – расстояние между любой точкой профиля и средней линией т, средняя линия имеет форму номинального профиля и проводится так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально;

п – количество рассматриваемых точек профиля на базовой длине L;

Rz – высота неровностей профиля по 10–ти точкам, мкм:

где H_imax , H_imin – высота наибольшего выступа и глубина наибольшей впадины, мкм;

R_max – наибольшая высота профиля – расстояние между линией выступов и линией впадин, мкм;

S_m – средний шаг неровностей профиля по средней линии, мкм:

S – средний шаг местных выступов профиля, мкм:

где n–количество шагов в пределах базовой длины;

t_p – относительная опорная длина профиля:

где р – уровень сечения профиля в % – это расстояние между линией выступов и линией пересекающей профиль, эквидистантно линии выступов, за 100 % принимается R_max;

b_i – длина отрезка, отсекаемая на заданном уровне в материале, мм;

L – базовая длина, мм.

Направления неровностей обработки зависят от метода и технологии изготовления, влияют на работоспособность, износостойкость и долговечность изделия. Условные обозначения направления неровностей (см. таблицу 3.1) указывают на чертеже при необходимости.

Таблица 3.1 – Условное обозначение направлений неровностей

Тип направления неровностей	Обозначение	Тип направления неровностей	Обозначение
Параллельное		Произвольное
Перпендикулярное		Круговое
Перекрестное		Радиусное

Нормирование шероховатости поверхности по ГОСТ 2789 выполнено с учетом международных стандартов.

Выбор параметров производится с учетом эксплуатационных свойств поверхности. Предпочтительным принят параметр Ra – среднее арифметическое отклонение профиля, так как он определяет шероховатость по всем точкам профиля. Средняя высота неровностей по 10 точкам Rz используется в тех случаях, когда нельзя измерить Ra на приборах типа профилометр путем ощупывания поверхности алмазной иглой. Шаговые параметры влияют на виброустойчивость, сопротивление в волноводах и электропроводность в электротехнических деталях. Параметр t_p необходимо учитывать при высоких требованиях к контактной жесткости и герметичности.

В ГОСТ 2789–59 предусматривалось 14 классов шероховатости в порядке уменьшения значений параметров. В сравнительной таблице 3.2 даны соотношения между классами шероховатости и другими высотными параметрами. С 1983 года для всех классов введен ряд значений Ra предпочтительного применения по 1-му варианту.

Таблица 3.2 – Значения высотных показателей шероховатости поверхности

Обозначение класса шероховатости поверхности по ГОСТ 2789–59	Значения параметров в мкм по ГОСТ 2789–73	Базовая длина l,мм
Ra	Rz
Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
1					8,0
2
3	12,5
4	6,3		12,5		2,5
5	3,2		6,3
6	1,6	2,5	3,2		0,8
7	0,8	1,25	1,6	6,3
8	0,4	0,63	0,8	3,2
9	0,2	0,32	0,4	1,6	0,25
10	0,1	0,16	0,2	0,8
11	0,05	0,08	0,1	0,4
12	0,025	0,04	0,05	0,2
13	0,012	0,02	0,025	0,1	0,08
14	0,006	0,01	0,012	0,05
Примечания: 1 Нормирование Ra по варианту 1 является предпочтительным. 2 Значения Ra по варианту 3 и Rz полностью соответствуют верхнему пределу класса.

Таблица 3.3 – Рекомендации по выбору параметров шероховатости поверхности – Ra, мкм, в зависимости от эксплуатационных требований

Характеристика поверхности

Эксплуатационные требования

Посадки с натягом

Квалитет

Поверхности детали

Номинальный размер, мм

До 50

Свыше 50 до 120

Свыше120до500

а) Сборка под прессом (силовым методом)

Вал

0,1–0,2

0,4

0,4

Отверстие

0,2–0,4

0,8

0,8

6–7

Вал

0,4

0,8

1,6

Отверстие

0,8

1,6

1,6

Вал

0,8

0,8–1,6

1,6–3,2

Отверстие

1,6

1,6–3,2

1,6–3,2

б) Сборка терми ческим методом

6–7

Вал

1,6

Отверстие

1,6–3,2

Посадки с зазором

Вал

0,2

0,4

Отверстие

0,4

0,8

Вал

0,4

0,8

Отверстие

0,4–0,8

0,8–1,6

Вал

0,4–0,8

0,8–1,6

Отверстие

0,8

1,6

Вал

0,8

1,6

Отверстие

0,8–1,6

1,6–3,2

9–10

Вал

1,6

3,2

Отверстие

1,6–3,2

3,2–6,3

11–12

Вал

3,2

6,3

Отверстие

3.2–6.3

6,3–12,5

Селективная (групповая)сборка

Поверхность

Допуск сортировочной группы, мкм

2,5

Вал

0,1

0,2

0,4

0,8

Отверстие

0,2

0,4

0,8

1,6

Переходные посадки с точным центрированием

Поверхность

Допуск радиального биения, мкм

2,5

Вал

0,05

0,1

0,1

0,2

0,4

0,8

Отверстие

0,1

0,2

0,2

0,4

0,8

1,6

Поверхности под подшипники качения

Номинальныйдиаметр

Поверхность детали

Класс точности подшипника

6; 5

До 80

Вал

0,8(1,25)

0,4(0,63)

0,2(0,32)

0,1(0,16)

Отверстие в корпусе

0,4(0,63)

0,2(0,32)

Торцы заплечников

1,6(2,5)

0,8(1,25)

0,4(0,63)

Свыше 80 до500

Вал

1,6(2.5)

0,8(1,25)

0.4(0,63)

0,2(0,32)

Отверстие в корпусе

0,8(1,25)

0,4(0,63)

Торцы заплечников

1,6(2,5)

0,4(0,63)

Поверхности под подшипники скольжения

Поверхность

Квалитет допуска размера

6–9

10–12

Вал

0,4–0,8

0,8–3,2

Отверстие

0,8–1,6

1,6–3,2

Поверхности под уплотнения

Вид уплотнения

Скорость вращения, м/с

До3

Св. 3 до 5

Св. 5

Резиновое

0,8–1,6 полировать

0,4–0,8 полировать

0,2–0,4 полировать

Войлочное

0,8–1,6 полировать

0,8–1,6 полировать

–

Лабиринтное

3,2–6,3

3,2–6,3

–

Соединения с призматическими и сегментными шпонками

Вид соединения

Поверхности

Шпонка

Паз вала

Паз втулки

Неподвижное

Рабочая

3,2

1,6–3,2

1,6–3.2

Нерабочая

6,3–12,5

С направляющей шпонкой

Рабочая

1,6–3,2

Нерабочая

6,3–12,5

Зубчатые и червячные передачи

Степень точности

Поверхности

Профиль зубьев

0,2–0,4

0,4

0,4–0,8

1,6

3,2

6,3

Профиль витка червяка

0,2

0,4

0,4–0,8

0,8–1,6

1,6–3,2

–

Диаметр выступов

3,2–12,5

Резьбовые соединения

Назначение резьбы

Степень точности

4; 5

6; 7

8; 9

Крепежная

1,6

3,2

3,2–6,3

Ходовой винт

–

0,4

0,8

Гайка под ходовой винт

–

0,8

1,6

Шлицевые соединения

Характер соединения

Поверхности

Зуб вала

Впадина отверстия

Центрирующие

Нецентрирующие

Вал

Отвер­стие

Вал

Отверстие

Подвижное

0,4–0,8

0,8–1,6

1,6–3,2

3,2

0,4–0,8

0,8–1,6

Неподвижное

0,4–0,8

0,8–1,6

1,6–6,3

3,2–6,3

1,6–3,2

1,6–3,2

Нерабочие поверхности валов, осей. Открытые свободные поверхности втулок, кронштейнов, ступиц и т.д.

6,3–12,5

Нерабочие поверхности зубчатых колес (диаметр впадин). Канавки, фаски, выточки закругления у всех видов деталей. Поверхности головок болтов, винтов, гаек

3,2–12,5

Кромки деталей под сварные швы

50–100

свободные поверхности органов управления (рукоятки, маховики и т.д.)

0,4–1,6

Таблица 3.4 – Экономическая точность механической обработки

Квалитет	Степень точности при L ≤ 2d	Шероховатость поверхности Ra. мкм	Метод числовой обработки
Относительная геометрическая точность	Формы цилиндрической поверхности	Формы плоской поверхности	Радиального и торцового биения
	А В С				0,2 – 0,4	Доводка
			0,1 –0,2	Суперфиниш
(2)	(3)		0,05–0,1	Хонингование
	А В С				0,4– 1,6	Алмазное выглаживание
		0,2 – 0,8	Тонкое точение
(3)	(4)		0,1 –0,2	Чистовое шлифование
	А В С				0,8–3.2	Чистовое шлифование Тонкое точение Тонкое растачивание Шабрение Выглаживание
		0,4 –0,8
(4)		0,2 – 0,4
	А В С				0,8–3,2
		0,4 – 0,8
		0,2 – 0,4
	А В С				3,2 –6,3	Шлифование Развертывание Чистовое точение, растачивание Фрезерование Строгание Протягивание Шабрение
	1,6–3,2
	0,8– 1,6
	А В С				3,2 – 6,3
	1,6–3,2
	0,8–1,6
	А В С				6,3–12.5	Строгание Протягивание Сверление Точение Зенкерование Фрезерование
	3,2 –6,3
	1,6–3,2
	А В			9– 10	12,5–25
	6,3– 12,5
Примечание:В скобках указаны труднополучаемые степени точности

Определение значений параметров шероховатости может быть выполнено методом подобия и расчетным методом. Примеры выбора числовых значении Ra в зависимости от вида соединения даны в таблице 3.3. Метод подобия ориентируется на экономическую точность, которая устанавливает зависимость шероховатости и формы поверхности от допуска размера и применяемого отделочного метода обработки (см. таблицу 3.4).

Минимальные требования к шероховатости поверхности в зависимости от допусков размера и формы даны в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Минимальные требования к шероховатости поверхности в зависимости от допуска размера и формы поверхности

Квалитет допуска размера	Допуск формы в % от допуска размера	Номинальные размеры, мм
До 18	Свыше 18 до 50	Свыше 50 до 120	Свыше 120 до 500
Значение Ra, мкм, не более
		0,4	0,8	1,6	1,6
	0,2	0,4	0,8	0,8
	0,1	0,2	0,4	0,4
		0,8	1,6	3,2	3,2
	0,4	0,8	0,8	1,6
	0,2	0,4	0,4	0,8
		1,6	3,2	3,2	3,2
	0,8	1,6	1,6	3,2
	0,4	0,8	0,8	1,6
		1,6	3,2	3,2	3,2
	0,8	1,6	3,2	3,2
	0,4	0,8	1,6	1,6
	100 и 60	3,2	3,2	6,3	6,3
	1,6	3,2	3,2	6,3
	0,8	1,6	1,6	3,2
	100 и 60	3.2	6.3	6,3	6,3
	1,6	3,2	3.2	6,3
	0,8	1,6	1,6	3,2
	100 и 60	6,3	6,3	12,5	12,5
	3,2	3,2	6,3	6,3
	1,6	1,6	3,2	3,2
12 и 13	100 и 60	12,5	12,5
	6,3	6,3	12,5	12,5
14 и 15	100 и 60	12,5
	12,5	12,5
16 и 17	100 и 60

При расчетном методе определяется коэффициент шероховатости К_r в зависимости от уровня относительной геометрической точности (см. таблицу 3.11):

Ra = К_r T,

где Т – допуск на размер, ограничивающий данную поверхность (Td; TD).Расчетное значение округлить в сторону уменьшения до величин таблицы 3.2., вариант 1.

Соотношение между Ra и Rz колеблется в пределах от 4 до 7 раз, Rz больше, чем Ra.

Контроль шероховатости может быть выполнен контактным методом (профилометром, профилографом) и бесконтактным на приборах теневого и; светового сечения. Раковины, рыхлоты, царапины и другие поверхностные дефекты в оценку шероховатости не включаются. При необходимости требования к дефектам поверхности должны быть установлены отдельно.

В цеховых условиях оценку шероховатости выполняют методом сличения, путем сравнения с образцами шероховатости, которые должны быть из одноименной группы материала (сталь для стальных деталей, чугун – для чугунных и т.д.), с соответствующим методом обработки (точения, шлифования и т.д.) и соответствующей формой поверхности (выпуклые для валов, вогнутые для отверстий, плоские для плоскостей).

Указание требований к шероховатости поверхностей производится на чертежах согласно ЕСКД по ГОСТ 2.309. Обозначение шероховатости состоит из условного значка и числовых значений:

– основной знак, когда метод обработки поверхности чертежомне регламентируется;

– знак, соответствующий поверхности, полученной удалением слоя металла (точением, сверлением, фрезерованием, шлифованием и т.д.);

–знак, соответствующий поверхности в состоянии поставки, без удаления слоя металла (литье, штамповка, поковка и т.д.).

До 2005г. требовалось указывать символ и числовые значения в растворе знака, символ Ra не указывался на чертеже, остальные символы должны быт записаны перед числовым значением, в мкм.

Например: означает Ra = 1,6мкм, Rz = 40мкм, Ra = 12,5 мкм.

Согласно изменениям, внесенным в межгосударственный стандарт ГОСТ 2.309–73 «ЕСКД. Обозначения шероховатости поверхностей», указанные примеры должны быть записаны в следующем виде:

Изменения № 3 к ГОСТ 2.309–73, которые вступили в силу с 01.01 05г., сле­дующие:

- обязательно указывать символ Ra перед его числовым значением;

- все параметры записывать под полочкой. Также под полочкой знака могут быть указаны: условные обозначения неровностей; базовая длина (если отличается от стандартной) и все параметры шероховатости по строчкам, начиная с Ra (или Rz),далее шаговые и далее t_p;

- над полочкой указывают способ обработки и другие дополнительные требования (например, полировать);

- заменить указанное обозначение на

- ввести новый знак направления неровностей: – для поверхностей, полученных методом порошковой металлургии путем спекания;

- допускается указывать требования к шероховатости поверхности на прямоугольной рамке (расположенной горизонтально), содержащей допуск формы поверхности.