Методы и средства оценки шероховатости поверхности

5. Контроль отклонений формы и расположения поверхностей – СР№6

1. Особая роль поверхности (поверхностного слоя) деталей связана с тем, что в условиях эксплуатации машины или прибора внешним воздействиям в пер­вую очередь подвергаются поверхности их деталей.

Качество поверхностного слоя обусловливается методами обработки заготовок при получении деталей – механической, электрофизической, электрохимической, тер­мической и т. д.

Качество поверхности (поверхностного слоя) – это совокупность всех служебных свойств поверхност­ного слоя материала; является одним из важнейших факторов, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства деталей.

В соответствии с современными представлениями качество поверхностного слоя является сложным комплексным понятием и определяется геометрическими, структурными и физико-химическими характеристиками (составом, наличием макро-, микро- и субмикродефектов, в т.ч. дефектов кристаллического строения, определенным уровнем механических свойств – прежде всего, микротвердости, наличием макро- и микронапряжений).

Характеристики поверхности связанные с геометрией детали, показаны на рис.1 в порядке уменьшения их абсолютных величин: отклонения формы (макрогеометрия); волнистость; шероховатость (микрогеометрия). Критерием для их разграничения служит отношение шага S к высоте неровностей R.

а б
Рисунок 1 - Реальная поверхность, имеющая шероховатость, волнистость и отклонение формы (а); классификация геометрических характеристик качества поверхности (б)

Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенная с помощью базовой длины.

Базовая линия l (поверхность) - линия (поверхность) заданной геометрической формы, определенным образом проведенная относительно профиля (поверхности) и служащая для оценки геометрических параметров поверхности. Длина оценки L – длина, на которой оценивается значения параметров шероховатости поверхности (может состоять из одной или нескольких базовых длин), рис.2, а.

а б

Рисунок 2 – Базовая линия и длина оценки (а), средняя линия и отклонение профиля (б)

Средняя линия профиля m – базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, чтобы в пределах базовой длины среднее квадратичное отклонение профиля до этой линии было минимально, рис.2, б.

2.1. Параметры, определяющие высотные свойства шероховатостей.

Наибольшая высота профиля R _max – расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины, рис.3, а. Данный параметр наименее информативен.

а б в

Рисунок 3

Высота неровностей профиля по десяти точкам R _z – сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины, рис. 3, б.

Информативность параметра R _z выше, чем R _max.

Наиболее объективно дает высотную характеристику поверхности параметр R _а, который определяется на основе n выбранных выступов Y p _i и впадин Y v _i. Именно поэтому он является предпочтительным при указании на чертежах. Среднее арифметическое отклонение профиля R _a – это среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины, рис.3, в.

Между высотными параметрами R _a, R _z, R _max существуют корреляционные зависимости.

2.2. Параметры, определяющие свойства шероховатостей в направлении длины профиля. Шаг неровностей профиля это отрезок средней линии профиля, ограничивающий неровность профиля, рис.4, S m₁…. S m_n.

а б

Рисунок 4

Средний шаг неровностей профиля S m – это среднее значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины. Средний шаг местных выступов профиляS – это среднее значение шага местных выступов профиля в пределах базовой длины.

2.3. Параметры шероховатости, связанные с формой неровностей профия. Уровень сечения профиля p - расстояние между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль эквидистантно линии выступов профиля, рис.5. Опорная длина профиля h_p – это сумма длин отрезков, в пределах базовой длины, отсекаемых на заданном уровне в материале профиля линией, эквидистантной средней линии.

Рисунок 5

Относительная опорная длина профиля t _p - отношение опорной длины профиля к базовой длине. По сути, это отношение «опирания» полученной поверхности S b _i к идеальному варианту, когда неровностей нет, т.е. поверхность идеально ровная линия с размером базовой длины l.

Кроме рассмотренных, широко применяемых, параметров ГОСТ 25142-82 предусматривает и другие, получаемые современными измерительными комплексами.

3 .На практике применяется три способа нормирования параметров шероховатости поверхности: 1) расчетный (как правило, это часть допуска размера либо формы); 2) прецедентный (по прототипу); 3) экспериментальный (на базе индивидуальных исследований создаваемой или эксплуатируемой конструкции).

Назначение поверхности и условия ее применения являются исходными основами при выборе параметров шероховатости поверхности и их численных значений, которые определяются на базовой длине.

Стандарты предусматривают выбор базовой длины в зависимости от необходимых значений шероховатости; шероховатость, в свою очередь, связана с методом обработки.

Предпочтительно применение параметра R _a как наиболее информативного, в том числе и для грубых поверхностей.

Однако параметры R _z и R _max не потеряли своего значения и их применяют в тех случаях, когда по функциональным тpeбованиям необходимо ограничить полную высоту неровностей профиля, а также когда прямой контроль параметра R _a не представляется возможным.

Для ответственных поверхностей производится дополнительно нормирование, не только высот­ных параметров, а также шаговых. Параметр t _p позволяет нормировать важнейшие эксплуатационные свойства поверхности, которые опре­деляются формой неровностей и зависят также от высотных параметров профиля.

В дополнение к количественным параметрам в некоторых случаях целесообразно нормировать направление неровностей, например в связи с направлением относитель­ного перемещения трущихся сопряженных поверхностей или направления движения жидкостного, или газового потока. Кроме того, определение направления неровностей существенно для обеспечения необходимой статической и особенно циклической прочности.

При назначении параметров шероховатости поверхностей необходимо оценить возможность их достижения. При выборе шероховатости поверхности следует учитывать, что значения параметров R _a, R_z, R_max должны составлять только некоторую часть допуска соответствующего размера.

4. Существует ряд методов и средств для оценки параметров микронеровностей. Методы могут быть качественными и количественными.

В цеховых условиях в соответствии с ГОСТ 9378-93 «Образцы шероховатости поверхности сравнения. Общие технические условия», (ИСО 2632-1-85, ИСО 2632-2-85) наиболее простым методом контроля шероховатости поверх­ностей изделий является визуальное (невооруженным глазом или чрез лупу) или органолептическое (на ощупь) сравнение с образцами. Данный метод является качественным.

Количественные методы оценки шероховатости основаны на измерении микронеровностей специальными приборами – контактными и бесконтактными.

Наибольшее распространение для определения шероховатости контактным методом получили щуповые приборы.

В щуповых приборах контактного действия (профилометрах – показывающих среднее арифметрическое отклонение профиля, профилографах – профиль поверхности, профилографах-профилометрах) для измерения вы­соты неровностей используют вертикальные колебания алмазной иглы, пере­мещаемой по контролируемой поверхности. Колебания преобра­зуются в электрическое напряжение с помощью индуктивных, ме­ханотронных, пьезоэлектрических преобразователей.

Наибольшее применение находят профилографы-профилометры с индуктивным преобразователем.

Профилограф-профилометр, в котором использован индук­тивный преобразователь, позволяет записывать профиль неров­ностей в увеличенном масштабе в виде профилограммы или изме­рять параметры шероховатости с индикацией в цифровом виде.

К бесконтактным количественным устройствам оценки шероховатости относят оптические приборы – светового сечения, теневой проекции, интерференции света.