Понятия о точности геометрических параметров. Волнистость, шероховатость, отклонения формы, поверхностей и осей деталей

Под качеством поверхности детали (заготовки) понимают состоя­ние ее поверхностного слоя как результат воздействия на него од­ного или нескольких последовательно применяемых технологиче­ских методов. Оно характеризуется шероховатостью, волнистостью, а также физико-механическими свойствами поверхностного слоя.

Шероховатостью поверхности называется совокупность неров­ностей с относительно малыми шагами на базовой длине. Под вол­нистостью поверхности понимают совокупность периодически чере­дующихся неровностей с относительно большим шагом, превышаю­щим принимаемую при измерении шероховатости базовую длину. Волнистость занимает промежуточное положение между шерохо­ватостью и погрешностями формы (макрогеометрией) поверхности.

Шероховатость и волнистость поверхности взаимосвязаны с точ­ностью размеров. Высокой точности всегда отвечают малые шерохо­ватость и волнистость поверхности. Это определяется условиями ра­боты сопряженных деталей и необходимостью получения надежных результатов измерения.

Физико-механические свойства поверхностного слоя характери­зуются его твердостью, структурными и фазовыми превращениями, величиной, знаком и глубиной распространения остаточных напря­жений, деформацией кристаллической решетки материала. При при­менении химико-термических методов обработки изменяется также химический состав материала поверхностного слоя.

У готовой детали качество обработанных поверхностей в основ­ном обеспечивается при окончательной обработке; предшествующая обработка, а также заготовительные процессы в определенной сте­пени влияют на качество поверхности готовой детали в силу техноло­гического наследования исходных свойств заготовки на различных этапах ее обработки. Необработанные поверхности сохраняют ка­чество, полученное при изготовлении заготовки. Достижение необ­ходимого качества поверхностей деталей машин и поддержание его на заданном уровне в производственных условиях является задачей построения всего технологического процесса.

В процессе эксплуатации машин качество поверхностей их дета­лей изменяется. Такие явления, как износ, образование и развитие микротрещин, задиры, коррозионное и эрозионное разрушения, питтинг, ухудшают качество поверхности; поэтому важно не только обеспечить требуемое качество поверхностей деталей машин в про­цессе производства, но и сохранить их постоянство на длительный срок эксплуатации машин.

При анализе точности геометрических параметров деталей оперируют следующими понятиями (рис.3.1.):

номинальная поверхность— идеальная поверхность, размеры и форма которой соответствуют заданным номинальным размерам и номинальной форме;

реальная поверхность— поверхность, ограничивающая деталь и отделяющая ее от окружающей среды;

профиль— линия пересечения поверхности с плоскостью или с заданной поверхностью;

нормируемый участок L — участок поверхности или линии, к которому относится допуск формы, допуск расположения или соответствующее отклонение. Если нормируемый участок не задан, то допуск или отклонение относится ко всей рассматриваемой поверхности или длине рассматривае­мого элемента. Если расположение нормируемого участка не задано, то он может занимать любое расположение в пределах всего элемента.

Рис. 3.1. Геометрические параметры детали.

Прилегающая поверхность — поверхность, имеющая форму номинальной поверхности, соприка­сающаяся с реальной поверхностью и расположенная вне материала детали так, чтобы отклонение от нее наиболее удаленной точки реальной поверхности в пределах нормируемого участка имело минимальное значение. Прилегающая поверхность применяется в качестве базовой при определе­нии отклонений формы и расположения.

База — элемент детали или сочетание элементов, по отношению к которым задается допуск рас­положения рассматриваемого элемента, а также определяются соответствующие отклонения.

Отклонением формы EF называется отклонение формы реального элемента от номинальной формы, оцениваемое наибольшим расстоянием от точек реального элемента по нормали к приле­гающему элементу.

Допуском формы TF называется наибольшее допускаемое значение отклонения формы. Виды допусков формы представлены на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Виды допусков: 1–цилиндричности; 2–круглости; 3–сечения.

Отклонения и допуски расположения поверхностей

Отклонением расположения ЕР называется отклонение реального расположения рассматривае­мого элемента от его номинального расположения. Под номинальным понимается расположение, определяемое номинальными линейными и угловыми размерами.

База — элемент детали по отношению к которому задается допуск расположения рассматриваемого элемента, а также определяется соот­ветствующее отклонение.

Допуском расположения называется предел, ограничивающий допускаемое значение отклонения расположения поверхностей.

Поле допуска расположения ТР — область в пространстве или заданной плоскости, внутри которой должен находиться прилегающий элемент или ось, центр, плоскость симметрии в пределах нормируемого участка, ширина или диаметр которой определяется значением допуска, а располо­жение относительно баз — номинальным расположением рассматриваемого элемента.

На рис.3.3. изображены виды полей допусков расположения поверхностей.

Рис.3.3. Виды полей допусков поверхностей плоскости.

Шероховатость поверхности и ее влияние на работу деталей машин. В процессе формообразования деталей на их поверхности появляется шероховатость — ряд чере­дующихся выступов и впадин сравнительно малых размеров.

Шероховатость может быть следом от резца или другого режущего инструмента, копией неров­ностей форм или штампов, может появляться вследствие вибраций, возникающих при резании, а также в результате действия других факторов.

Влияние шероховатости на работу деталей машин многообразно:

шероховатость поверхности может нарушать характер сопряжения деталей за счет смятия или интенсивного износа выступов профиля;

в стыковых соединениях из-за значительной шероховатости снижается жесткость стыков;

шероховатость поверхности валов разрушает контактирующие с ними различного рода уплотнения;

неровности, являясь концентраторами напряжений, снижают усталостную прочность деталей;

шероховатость влияет на герметичность соединений, на качество гальванических и лакокрасочных покрытий;

шероховатость влияет на точность измерения деталей;

коррозия металла возникает и распространяется быстрее на грубо обработанных поверхностях и т. п.

Параметры шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности оценивается по неровностям профиля, получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью. Для отделения шероховатости поверхности от других неровностей с относительно большими шагами ее рассматривают в пределах базовой длины I.

Базой для отсчета отклонений профиля является средняя линия профиля т-т — линия, имею­щая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины среднее квадратичное отклонение профиля до этой линии минимально.

По ГОСТ 2789—73 установлены следующие параметры шероховатости:

Среднее арифметическое отклонение профиля: R_a — это среднее арифметическое из абсолют­ных значений отклонений профиля в пределах базовой длины:

(3.1)

где: l — базовая длина;

y — отклонение профиля (расстояние между любой точкой профиля и базовой линией т-т).

На рис. 3.4. приведены обозначение параметров шероховатости.

Рис. 3.4. Обозначение параметров шероховатости.

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.

(3.2.)

где: у_pi — высота i -ro наибольшего выступа профиля;

y_vi — глубина i -й наибольшей впадины профиля.

Наибольшая высота неровностей профиля R_max — расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины.

Средний шаг неровностей профиля S_m — среднее значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины.

Средний шаг местных выступов S — среднее значение шагов местных выступов.

Относительная опорная длина профиля t_p — отношение опорной длины профиля к базовой длине равна:

(3.3)

где: b_i– опорная длина профиля (сумма длин отрезков, отсекаемых на заданном уровне р в материале профиля линией, эквидистантой средней линии в пределах базовой длины).

Шероховатость поверхности обозначают на чертеже для всех выполняемых по данному чертежу поверхностей изделия, независимо от методов их образования, кроме поверхностей, шерохова­тость которых не обусловлена требованиями конструкции (рис. 3.5.).

Рис. 3.5. Пример обозначения параметров шероховатости.

На рис. 3.6. и 3.7.приведены геометрические параметры шероховатости.

Рис. 3.6. Примеры различных параметров шероховатостей.

Рис. 3.7. Пример чтения параметров шероховатости.

Среднее арифметическое отклонение профиля R_a не более 0.1 мкм на базовой длине l = 0.25 мм (в обозначении длина не указана, так как соответствует значению, определенному стандартом для данной высоты неровностей).

Средний шаг неровностей профиля S_m должен находиться в пределах от 0.063 мм до 0.04 мм на базовой длине l~ 0.8 мм.

Относительная опорная длина профиля на 50% уровне сечения должна находиться в пределах 80 + 10% на базовой длине l = 0.25 мм.

В некоторых обоснованных случаях устанавливаются требования к на­правлению неровностей и виду обработки (если он является единственным или предпочтительным для обеспечения качества поверхности). Эти параметры обозначаются в соответствующем поле условного обозначения, вид обработки — надписью, направление неровностей — условным знаком.

Условные обозначения направления неровностей указывают на черте­жах, используя один из знаков, приведенных в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Обозначения направления неровностей

Преобладающую шероховатость указывают в правом верхнем углу, а если имеются поверхности с другой обозначенной на них шероховатостью, то ставят еще знак шероховатости в скобках. Знак перед скобкой должен быть в 1,5 раза больше размеров знака на детали, а в скобках — одинакового раз­мера со знаками на детали (рис. 3.8, а — в).

Если шероховатость одной и той же поверхности детали на разных уча­стках различна, то эти участки разделяют сплошной тонкой линией (рис. 3.8, г).

При необходимости фиксации базовой длины на чертеже ее проставля­ют под полкой знака в числителе, а в знаменателе проставляют параметр или параметры шероховатости (рис. 3.8, б, г).

Шероховатость поверхностей зубьев колес, эвольвентных шлицов указы­вают на делительной окружности, если на чертежах не приводится их про­филь.

Рис. 3.8. Примеры (а — г) обозначения шероховатости поверхности на чертежах

Влияние волнистости и шероховатости поверхности на эксплуатационные показа­тели деталей, узлов и механизмов. В подвижных соединениях в начальный пе­риод работы из-за наличия волнистости и шероховатости фактическая пло­щадь контакта сопрягаемых поверхностей может уменьшаться в 3 — 5 раз относительно номинальной. В результате происходят упругая и пластическая деформации сжатия и сдвига вершин неровностей, приводящие к интенсив­ному изнашиванию контактируемых поверхностей в период приработки и в некоторых случаях к схватыванию трущихся поверхностей, т.е. к катастро­фическому износу. Эти процессы сопровождаются значительным повышени­ем температуры, что в соединениях типа «подшипник скольжения» приво­дит к выплавлению антифрикционного слоя и разрушению подшипника. Если же такого аварийного разрушения сопрягаемых поверхностей не про­исходит, то все равно наблюдаются ускоренный износ поверхностей и значи­тельное увеличение зазора в сопряжении. Этот процесс продолжается до тех пор, пока высота, форма и направление неровностей не достигнут определен­ного значения. Такую шероховатость называют оптимальной. При изменении условий эксплуатации деталей (давления, скорости, условий смазки и т.п.) происходит дополнительная приработка.

Важно отметить, что если неровности поверхности после обработки бу­дут меньше оптимальной величины, то через определенный промежуток вре мени высота и форма микронеровностей опять приблизятся к оптимальным значениям. Чем больше первоначальная шероховатость будет отличаться от оптимальной, тем больший износ будет иметь поверхность в период прира­ботки и на большее значение сократится ресурс соединения.

Шероховатость поверхности влияет также на усталостную прочность деталей, так как неровности являются концентраторами напряжений. Поэто­му детали, работающие в циклических условиях, а тем более в условиях зна­копеременных нагрузок, не должны иметь грубо обработанных поверхностей с большими неровностями.

Впадины неровностей являются резервуарами, в которых скапливают­ся вода и другие жидкости, поэтому поверхности с большими неровностями более подвержены коррозии. В местах уплотнений, где требуется герметич­ность, большая высота неровностей также вредна.

Как правило, чем меньше допуск на размер, тем жестче устанавливают­ся параметры шероховатости поверхности. В то же время прямой зависимо­сти между значением допуска и параметрами шероховатости нет.

На практике иногда при большом допуске на размер назначают шерохо­ватость с минимальной высотой неровностей для придания декоративного вида поверхности или с целью лучшей защиты ее от коррозии. В других случаях при незначительных допусках на размер добиваются шероховатости со сравни­тельно большими неровностями, что позволяет лучше удерживать смазочный материал (например, поверхности поршней, направляющих станков, различ­ных салазок).

Шероховатость поверхности — фактор управляемый, так как зависит от вида обработки, режимов резания, режущего инструмента, охлаждающей жидкости и т.п.

Из сказанного следует, что обоснованное назначение шероховатости по­верхности с определенными параметрами — важный фактор повышения на­дежности и долговечности деталей, соединений и машины в целом.