Технологическое обеспечение необходимых параметров шероховатости поверхности

Требования к параметрам шероховатости устанавливают на основании их связи с функ­циональными показателями деталей машин, причем значения этих параметров могут быть рассчитаны по теоретическим или эмпириче­ским уравнениям связи показателей эксплуата­ционных свойств деталей машин и их соединений с характеристиками качества поверхностей (табл. 2).

Технологическое обеспечение шероховато­сти поверхности базируется в основном на экспериментальном изучении зависимостей между методом окончательной обработки и параметрами шероховатости (табл. 3).

Достигаемая при определенном методе обработки шероховатость прежде всего харак­теризуется высотными методами Ra, Rz или Rmax. Однако поверхности с одинаковой вы­сотой неровностей, но полученные различны­ми технологическими методами, могут иметь различные эксплуатационные свойства, напри­мер по-разному сопротивляться действию сил, стремящихся деформировать выступы. Такие поверхности прежде всего могут различаться опорными (несущими) площадями.

Оценка по опорной длине профиля не дает достаточно полного представления об опор­ной площади, так как шероховатость поверх­ности в поперечном и продольном направле­ниях  различна   и  не  связана  постоянным соотношением. Поэтому для оценки несущих площадей нужна топография поверхности.

С уменьшением высоты поперечных микро­неровностей высота продольной и поперечной шероховатостей становится примерно одина­ковой. Наибольшее различие наблюдается при грубой обработке, когда продольная вы­сота составляет малую долю от поперечной.

Указанное различие зависит не только от вала обработки, но и от материала. Продольные неровности при обработке стальных деталей имеют наибольшее значение, например, при плоском и круглом шлифовании периферией кругa, а при обработке чугунных деталей — при строгании, цилиндрическом фрезеровании, доводке цилиндрических поверхностей.

В некоторых случаях механической обра­ботки продольная шероховатость может пре­вышать поперечную (например, при резании с образованием нароста на режущей кромке инструмента); наличие или отсутствие вибра­ции также заметнее сказывается на продоль­ной шероховатости, чем на поперечной. Сле­довательно, при оценке опорной площади необходимо учитывать отличия шероховато­сти в различных направлениях (микротопогра­фию поверхности).

Абсолютные значения опорной площади поверхностей зависят не только от шероховато­сти, но и от метода обработки. Поверхность с малой шероховатостью по сравнению с по­верхностью с более высокой шероховатостью, но полученной другим методом обработки, не всегда имеет большую опорную площадь. По­этому для обеспечения определенной опорной (несущей) площади данной детали необходимо наряду с назначением высотного параметра шероховатости указывать технологический ме­тод получения поверхности.

Во всех случаях зависимости t_p = f(p) имеют вид, графически представленный на рис. 2 (опорная кривая). Каждому из профилей соответствует определенный вид указанной за­висимости, и при одном р наблюдаются раз­личные t_p(t_p1 < t_p2 < t_р3).

Для использования опорных кривых про­филя при сопоставлении опорных площадей различных поверхностей деталей в общем слу­чае следует строить указанные кривые в координатах t_p (относительные вели­чины) — р (абсолютные величины).

Для сравнения различных поверхностей с одинаковой высотой неровностей можно рассматривать опорные кривые профилей, по­строенных по относительным величинам t_p и ε = p/Rmax. Изложенное применимо для опре­деления t_p независимо от закона высотного распределения неровностей.

Для оценки опорной площади поверхно­стей с нерегулярной шероховатостью, которой свойственны как случайные очертания неров­ностей, так и их расположение по высоте (по­верхности отливок заготовок после шлифова­ния, хонингования, упрочения дробью, элек­троискровой обработки, полирования и др.), можно воспользоваться теорией случайных функций. Профилограммы нерегулярной ше­роховатости приближенно могут быть опи­саны нормальным стационарным процессом. При этих условиях

,     (1)

где  — функция Лапласа.

Задаваясь различными уровнями р(0 < р < 0,5Rmах), определяют значения t_p и строят опорную кривую профиля (в данном случае она получается симметричной относительно средней линии профиля).

Стандартные параметры шероховатости для расчетов, например, контактного взаимодей­ствия целесообразно дополнить параметром R_p.

Тогда зависимость для оценки величины t_p выше средней линии профиля принимает вид

,     (2)

где

;    (3)

;     (4)

t_m – относительная опорная длина профиля по средней линии.

Формулы (1) и (2) позволяют определять опорные площади поверхности и сравнивать их без построения опорных кривых, что значительно снижает трудоемкость оценки шерохо­ватости поверхности.

Наибольший практический интерес пред­ставляет начальная часть опорной кривой про­филя, которая описывается формулой t_p = b = b^/ε^v (где b и v — параметры аппрокси­мации начальной части опорной кривой про­филя), а также формулой (2). Указанные фор­мулы справедливы в пределах 0 < t_p ≤ 0,5. Параметры b' и v могут быть определена не­сколькими методами: графически, что требует построения опорной кривой профиля, и анали­тически, например, по зависимостям (3) и (4),

Изучение верхних участков шероховатых поверхностей позволило установить значения параметров b и v, характеризующих началь­ную часть опорных кривых (опорную пло­щадь). Для основных технологических методов обработки они позволяют выполнить ориенти­ровочные расчеты для определения опорной площади шероховатых поверхностей, обрабо­танных резанием.

Опорная площадь может оказаться одина­ковой для нескольких поверхностей, обрабо­танных различными методами. Отличие таких поверхностей устанавливают по геометриче­ским характеристикам отдельных микронеров­ностей: каждому методу обработки соответ­ствует определенный диапазон изменения углов профиля и радиусов закругления высту­пов в зависимости от высоты шероховатости поверхностей.

В преобладающем большинстве случаев радиус r_пр, закругления вершин микронеровно­стей в продольном направлении превышает радиус r_п закругления в поперечном направле­нии. Угол β_п профиля микронеровности для поперечного направления больше чем угол β_пр для продольного. С уменьшением высоты не­ровностей наблюдается общая тенденция к уменьшению углов профиля и соответствую­щему увеличению радиусов закругления вы­ступов.

Геометрические характеристики микроне­ровностей, высота неровностей, их шаги свя­заны между собой. С уменьшением высоты не­ровностей при каждом методе обработки возрастает соотношение между шагом неров­ностей профиля S и высотой R_max. Для боль­шинства методов механической обработки при средней высоте неровностей поверхностей шаг S_п поперечной шероховатости не превышает 40Rmax (шлифование, точение, строгание, фре­зерование, растачивание стальных и чугунных деталей). Для неровностей меньшей высоты их шаги могут достигать почти 300Rmax. Шаг S_пр продольной шероховатости обычно превы­шает шаг поперечной шероховатости. Отношение этих величин в большинстве случаев не превышает 15, хотя в отдельных случаях до­стигает 40. Абсолютные значения шага про­дольных неровностей достигают 800Rmax. Следовательно, чем больше радиусы закругле­ния выступов, тем меньше углы профиля и больше размеры оснований отдельных не­ровностей и их шаг (при определенной высоте шероховатостей).

Таким образом, за критерий оценки геоме­трии шероховатостей, полученных различны­ми методами обработки, можно принять от­ношение радиуса закругления выступов к высоте неровностей. Значения приведенного радиуса закругления выступов r =  и от­ношения r/Rmax для различных методов обработки резанием даны в табл. 4.

При необходимости получения более точных значений, характеризующих опорную площадь и другие геометрические параметры качества поверхности деталей, обязательно следует учитывать конкретные условия выпол­нения соответствующей технологической опе­рации (материал обрабатываемой детали, получаемую шероховатость при определенных режимах обработки, материал инструмента и т. д.). При этом во многих случаях целесо­образно учитывать технологическую наслед­ственность.

В табл. 5 приведены эмпирические зависи­мости для определения параметров шерохова­тости при различных методах и условиях обработки поверхностей.

    Рисунок:
    Рис. 2. Кривые относительных опорных длин профилей t_p при одинаковых уровнях сечения
    Таблицы:
    2. Рекомендуемые значения параметров шероховатости поверхности деталей машин
    3. Шероховатость поверхности при различных методах обработки