Общие понятия и определения

Качество поверхности деталей машин – совокупность геометрических и физико-механических свойств поверхностного слоя.

Геометрические свойства поверхности классифицируются по характеру и размеру отклонений и делятся на шероховатость поверхности (микрогеометрия), волнистость, погрешности формы (макрогеометрия).

Физико-механические свойства характеризуются в основном остаточными (внутренними) напряжениями, микротвердостью и микроструктурой.

Поверхность, ограничивающую деталь и отделяющую ее от окружа-ющей среды, называют реальной поверхностью.

Номинальная поверхность – идеальная поверхность, номи­нальная форма которой задана чертежом или другой технической документацией.

Геометрические свойства обработанной по­верхности определяются отклонениями реальной поверхности от номинальной. Погрешности формы и волнистость были рассмотрены в главе 6. Термины и определения шероховатости поверхности установ­лены ГОСТ 25142-82.

Шероховатостью поверхности называют совокупность неров­ностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенную с помощью базовой длины (рис. 7.1).

Базовая длина ι – длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость по­верхности.

Базовая линия (поверхность) — линия (поверхность) задан­ной геометрической формы, определенным образом проведенная относительно профиля (поверхности) и служащая для оценки гео­метрических параметров поверхности.

Значения параметров шероховатости поверхности определяются от единой базы, за которую принята средняя линия “т”. Средняя ли­ния т — базовая линия, имеющая форму номинального про­филя и проведенная так, что в пределах базовой длины среднеквадратическое отклонение профиля до этой линии минимально (рис. 7.1). Приближенно средняя линия определяется по равенству площадей, заключенных по обе стороны между ней и линией контура профилограммы.

Шероховатость поверхности оценивается на длине L, кото­рая может содержать одну или несколько базовых длин (ι).

Числовые значения базовой длины выбирают из ряда: 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,80; 2,5; 8; 25 мм.

Отклонение у профиля – расстояние между любой точкой профиля и средней линией.

Параметры и характеристики шероховатости поверхности уста­новлены ГОСТ 2789-73 (рис. 7.1).

Линия выступов профиля – линия, эквидистантная по от­ношению к средней линии и проходящая через высшую точку про­филя в пределах базовой длины. Линия впадин профиля – линия, эквидистантная по отношению к средней линии и проходящая че­рез низшую точку профиля в пределах базовой длины.

Установлено шесть параметров шероховатости поверхности.

1. Ra – среднее арифметическое отклонение профиля – среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений про­филя в пределах базовой длины:

Ra = (х)/dx или (7.1)

 Ra ≈  , (7.2)

где ι – базовая длина; п – число выбранных точек на базовой длине.

2. Rz – высота неровностей профиля по десяти точкам – сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших вы­ступов профиля и глубины пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины:

Rz =  , (7.3)

где Урi – высота i-го наибольшего выступа профиля; Уvi – глубина i-ой наибольшей впадины профиля.

3.      Rmax – наибольшая высота неровностей профиля – расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины ι.

4.      S_m – средний шаг неровностей профиля – среднее зна­чение шага неровностей профиля в пределах базовой длины:

S_m =  , (7.4)

где п – число шагов в пределах базовой длины ι;

 Smi – шаг неровностей профиля, равный длине отрезка средней линии, ограничивающей неровность профиля.

5. S – средний шаг местных выступов профиля – среднее значение шага местных выступов профиля в пределах базовой длины:

S =  , (7.5)

где п — число шагов неровностей по вершинам в пределах базовой длины ι; Si — шаг неровностей профиля по вершинам, равный длине отрезка средней линии меж­ду проекциями на нее двух наивысших точек соседних местных выступов профиля.

6.  t_p – относительная опорная длина профиля – отношение опорной длины профиля (η_P) к базовой длине (ι):

t_p =  . (7.6)

Опорная длина профиля (η_P) – сумма длин отрезков b_t в пре­делах базовой длины, которые отсекаются на заданном уровне в материале профиля линией и эквидистантой по отношению к средней линии т:

η_P = .

Уровень сечения профиля (р) – расстояние между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль эквидистантно линии выступов профиля. Значения уровня сечения профиля выбирают из ряда: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 % от Rmax.

Обозначение относительной опорной длины можно пояснить таким примером: в обозначении t₆₀ 80 указана относительная опорная длина профиля t_P = 80 % при уровне сечения профиля р = 60 %.

Числовые значения параметров шероховатости поверхности Ra, Rz, Rmax; Sm, S, tp приведены в ГОСТ 2789-73. Рекомендуется ис­пользовать предпочтительные значения параметров Ra, так как образцы для сравнения параметров шероховатости поверхности изготовляют именно с этими значениями Ra. Наиболее часто на чертежах приводятся высотные параметры Ra и Rz.

ГОСТ 2.309-73 устанавливает обозначение шероховатости поверхностей и правила нанесения их на чертежах изделий.

В обозначении шероховатости поверхности, вид обработки которой конструктор не устанавливает, применяют знак, изобра­женный на рис. 7.2 а; этот знак является предпочтительным. В обозначении шероховатости поверхности, которая образуется при удалении слоя материала (точение, фрезерование, сверление, шлифование, полирование, травление), используют знак, изображенный на рис. 7.2 б. В обозначении шероховатости поверхности, которая образуется без удаления слоя материала (литьем, ковкой, объемной штамповкой, прокатом, волочением и т, п.), применяют знак, указанный на рис. 7.2 в; этот же знак применяют для обозначения поверхностей, не обрабатываемых по данному чертежу. Структура обозначения шероховатости поверхности приведена на рис.7.3.

Силы и температура резания оказывают влияние на формиро­вание поверхностного слоя, поэтому его физико-механические свойства отличаются от исходного материала.

Материал поверхностного слоя испытывает наклеп, разупроч­нение; изменяется его структура, микротвердость; образуются остаточные напряжения. Наклеп поверхностного слоя оценивают по глубине (h_H) и степени наклепа (и_н), градиентом наклепа (и_гр), / 14, 27 /

u_Н = 100 % ; (7.7)

 u_гр = , (7.8)

где Нmax и Нисх – соответственно максимальная и исходная микротвердость поверхностного слоя металла.

Микротвердость поверхностного слоя определяется методом вдавливания алмазного наконечника с ромбическим основанием на приборах ПМТ-3, ПМТ-4 и ПМТ-5. Для этих целей исследуемую по­верхность срезают под углом 0^о30'…2°. Таким образом, получается косой срез, который позволяет значительно увеличить глубину поверхностного слоя.

Структуру металла поверхностных слоев оценивают металло­графическим анализом с помощью металлографических микроско­пов.

Остаточные напряжения определяют расчетными и экспери­ментальными методами. При расчетных методах используют теоре­тические расчеты, которые определяют значения и знак напря­жений в результате силового и температурного напряжения в за­висимости от механических свойств обрабатываемого материала, формы и размеров детали. При этом методе нет надобности в разрушении детали. При экспериментальных методах (Н. Н. Давиденкова, Г. Закса и др.) остаточные напряжения определяют расчетами по деформации образца после снятия с него напряжен­ного слоя. Следовательно, этот метод является разрушающим.

Для исследования состояния поверхностного слоя широко используют рентгеновский метод, с помощью которого определяют остаточные напряжения и наклеп.

После обработки стальной заготовки в поверхностном слое можно выделить три зоны (рис. 7.4):

I – зона резко выраженной деформации; характеризуется большими искажениями кристаллической решетки металла, разд­роблением зерен, высокой твердостью;

II – зона деформации; в этой зоне наблюдается вытягивание зерен, наволакивание одних зерен на другие, понижение твер­дости.

III – переходная зона; в этой зоне состояние слоя постепенно приближается к состоянияю исходного материала.

Глубина поверхностного слоя зависит от метода и режимов обработки. Она составляет 1-2 мкм при очень тонкой обработке и до сотен микрометров – при грубой.