Общие сведения о поверхности деталей и её геометии

В технике под поверхностью детали понимают наруж­ный слой, который по строению и другим физическим свойствам отличается от внутренних слоев. Комплекс свойств, приобрета­емых поверхностью детали в результате ее обработки, характе­ризуется обобщенным понятием «качество поверхности».

Качество поверхности определяется геометрией поверхности, как границей тела, так и физико-химическими свойствами, обуслов­ленными процессом ее образования при обработке детали. Ка­чество поверхности деталей машин влияет на сопротивление ус­талости, износостойкость, коррозионную и эрозионную стойкость и связано с такими свойствами сопряжений, как прочность по­садок с натягом и плотность подвижных и неподвижных соеди­нений.

Всякое реальное тело имеет отклонения от идеальной геоме­трической формы, именуемые погрешностями. Погрешности об­работанной поверхности можно подраз­делить на три категории: 1) макрогеометрические отклонения, 2) вол­нистость поверхности, 3) шероховатость поверхности.

Макрогеометрическими отклонениями называют отклонения формы поверх­ности от заданной. Так, детали с боковой поверхностью круго­вого цилиндра могут иметь следующие погрешности (рис. 3.3): отклонения контура от окружности (овальность /а/, огранка /б/); отклонения от прямолинейности образующих при прямолинейности оси цилинд­ра (бочкообразность /в/); отклонения от прямолинейности образу­ющих (конусность /г/); криволинейности оси /д/. Величина и характер этих отклонений могут быть определены путем измерения диа­метра детали в различных поперечных сечениях по длине, а в данном поперечном сечении – в различных направлениях.

Возникновение макрогеометрических погрешностей поверх­ности происходит в основном из-за низкой точности станка, на котором происходит обработка, погрешностей установки загото­вок, силовых и температурных деформаций системы станок – заготовка – инструмент и износа инструмента в процессе обработки детали.

Рис. 3.3. Макрогеометрические отклонения поверхности цилиндрической детали при токарной обработке

Волнистость поверхности – совокупность бо­лее или менее регулярно чередующихся возвышений и впадин с шагом волны, значительно превышающим ее высоту (рис. 3.3).

Волнистость в направлении главного движения при резании на­зывают продольной, а в перпендикулярном направлении – по­перечной.

Волнистость поверхности образуется в результате неравно­мерности подачи при точении и шлифовании, неплоскостности на­правляющих и вынужденных колебаний системы станок – из­делие – инструмент, возникающих из-за неравномерности силы резания, наличия неуравновешенных масс и т.д. Другими причинами могут быть копирование волнистости режущего инстру­мента, искажение формы шлифовального круга и неравномер­ный износ его, а также погрешности движения инструмента или изделия. От шероховатости волнистость поверхности отличается значительно большим ша­гом: при чистовой обработке он не менее 0,25 мм, при грубой – превышает 8 мм. Достаточно часто высота волны при чистовом точении и цилиндрическом шлифовании доходит до 15 мкм при шаге до 14 мм.

Шероховатость поверхности – совокупность неровно­стей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине.

Реальная поверхность не является гладкой, то есть она содержит выступы и впадины с относительно малым расстоянием между ними – микронеровности, которые образуют рельеф поверхности детали. Контур сечения реальной поверхности плоскостью, перпендикулярной соответствующей идеальной геометрической поверхности, образует профиль, характе­ризующий микрогеометрию поверхности изделия. Графическое изображение реального профиля по данным измерений шерохо­ватости называют профилограммой шероховатости. Так как через данную точку геометрической поверхности можно провести бесчисленное множество нормальных сечений, то шероховатость поверхности следует связывать с тем или иным направлением.

Шероховатость обработанной поверхности в направлении главного движения при резании называют продольной, а в на­правлении подачи – поперечной шероховатостью. Преобладаю­щее направление следов механической обработки поверхности или следов трения называют направлением неровностей.

Количественно шероховатость можно оценить по тем или иным показателям. ГОСТ 2789-73 предусматривает шесть парамет­ров, характеризующих шероховатость поверхности: три высот­ных – R_a, R_z и R_max, два шаговых – S и S_m и относительная опорная длина профиля t_p.

Средним арифметическим отклонением профиля R_a называ­ют среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины l (рис. 3.4):

или .

На профилограмме положение средней линии профиля опре­деляют так, чтобы площади F по обе стороны от нее до контура профиля были равны, т.е. чтобы

или .

Относительная однородность микронеровностей поверхности детали позволяет судить о шероховатости в данном направлении по результатам обследования участка сравнительно небольшой длины. Длину базовой линии, используемую для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности, на­зывают базовой длиной l.

Высота неровностей профиля по десяти точкам R_z представ­ляет собой сумму средних абсолютных значений высот пяти наи­больших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины (см. рис. 3.4):

,

где y_pi – высота i-го наибольшего выступа профиля; y_ui – глу­бина i-й наибольшей впадины профиля.

Наибольшая высота неровностей профиля R_max является полной высотой профиля, т.е. расстоянием между линией высту­пов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины. Главными показателями шероховатости поверхности являются R_a и R_z . В ГОСТ 2789-73 можно найти другие показатели: S, S_m и t_p .

Профилограммы обработанной поверхности, как правило, име­ют пилообразную форму; это является результатом того, что вер­тикальное увеличение во много раз больше горизонтального (на­пример, 40 000 и 400 соответственно). Иногда создается представ­ление, что при трении обработанные поверхности зацепляются своими зубцами. В действительности профиль поверхности вы­глядит иначе (рис. 3.5).

Отдельные неровности имеют пологую форму. Угол между плоскостью основания выступа профиля и ка­сательной к его боковой поверхности составляет при доводке 1 – 3°, при шлифовании 10° и при точении 20°. Самые гладкие металлические поверхности имеют неровности высотой порядка 100 межатомных расстояний.