Обозначение шероховатости поверхности на чертежах

Шероховатость поверхности является одной из важнейших характеристик качества изготовления деталей машин. Она существенно влияет на эксплуатационные свойства деталей: износостойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность, герметичность соединений, точность сопряжений и внешний вид изделий. Правильное назначение и обеспечение требуемой шероховатости является ключевым фактором обеспечения качества и долговечности машин.

Реальная поверхность

Реальная поверхность — это поверхность, ограничивающая тело и отделяющая его от окружающей среды. Реальная поверхность всегда имеет неровности разного масштаба, которые возникают в результате воздействия различных факторов при изготовлении детали.

Профиль поверхности

Профиль поверхности — это линия пересечения реальной поверхности с плоскостью, как правило, перпендикулярной этой поверхности.

Базовая длина

Базовая длина (l) — это длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих оцениваемую шероховатость поверхности.

Стандартные значения базовой длины: 0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8,0 мм.

Средняя линия профиля

Средняя линия профиля — это базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проходящая таким образом, что в пределах базовой длины среднеквадратичное отклонение профиля от этой линии минимально.

Шероховатость поверхности

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

Высотные параметры

Среднее арифметическое отклонение профиля (Ra)Ra — среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины.

Формула: Ra = (1/l) ∫₀ˡ |y (x)| dx

где:

• l — базовая длина
• y (x) — отклонение профиля от средней линии

Применение:

• Наиболее распространённый параметр в машиностроении
• Используется для большинства поверхностей деталей машин
• Обеспечивает хорошую корреляцию с эксплуатационными свойствами

Высота неровностей профиля по десяти точкам (Rz) Rz — сумма средних арифметических абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины.

Формула: Rz = (1/5)[Σ(ypi) + Σ(yvi)]

где:

• ypi — высота i-го наибольшего выступа профиля
• yvi — глубина i-й наибольшей впадины профиля

Применение:

• Поверхности с периодическими неровностями
• Контроль процессов обработки резанием
• Оценка качества поверхностей после механической обработки

Наибольшая высота неровностей профиля (Rmax)

Rmax — расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины.

Применение:

• Поверхности уплотнений
• Контроль критических размеров
• Поверхности высокой ответственности

Среднеквадратичное отклонение профиля (Rq)

Rq — среднеквадратичное отклонение профиля в пределах базовой длины.

Формула: Rq = √[(1/l) ∫₀ˡ y²(x) dx]

Применение:

• Оптические поверхности
• Поверхности высокой точности
• Специальные применения

Средний шаг неровностей профиля (Sm)

Sm — среднее арифметическое значение шагов неровностей профиля в пределах базовой длины.

Применение:

• Характеристика периодичности неровностей
• Анализ следов обработки
• Оценка качества процесса

Средний шаг неровностей профиля по вершинам (S)

S — среднее арифметическое значение шагов неровностей между вершинами соседних выступов профиля в пределах базовой длины.

Относительная опорная длина профиля (tp)

tp — отношение опорной длины профиля к базовой длине на уровне p в материале профиля от линии выступов.

Применение:

• Анализ контактных свойств поверхностей
• Оценка износостойкости
• Расчет несущей способности

Предпочтительные значения Ra (мкм)

Грубые поверхности:

• 50; 25; 12,5 — литье, штамповка, пламенная резка

Средние поверхности:

• 6,3; 3,2; 1,6 — механическая обработка (точение, фрезерование)

Чистые поверхности:

• 0,8; 0,4; 0,2 — тонкая механическая обработка, шлифование

Особо чистые поверхности:

• 0,1; 0,05; 0,025 — полирование, притирка, суперфиниширование

Соотношение между параметрами для нормально распределённых неровностей:

• Rz ≈ 4Ra
• Rmax ≈ (1,2÷1,6)Rz
• Rq ≈ 1,25Ra

Влияние шероховатости на эксплуатационные свойства

Износостойкость

Влияние на износ:

• Слишком большая шероховатость увеличивает износ
• Слишком малая шероховатость ухудшает условия смазки
• Оптимальная шероховатость обеспечивает минимальный износ

Рекомендуемые значения:

• Подшипники скольжения: Ra = 0,32÷1,25 мкм
• Цилиндры двигателей: Ra = 0,4÷1,6 мкм
• Направляющие станков: Ra = 0,8÷3,2 мкм

Механизм воздействия:

• Неровности поверхности являются концентраторами напряжений
• Снижение шероховатости повышает усталостную прочность
• Особенно важно для деталей, работающих при переменных нагрузках

Рекомендации:

• Валы, оси: Ra ≤ 1,25 мкм
• Пружины: Ra ≤ 0,32 мкм
• Зубья шестерен: Ra ≤ 1,25 мкм

Факторы влияния:

• Впадины неровностей накапливают коррозионные среды
• Увеличенная поверхность контакта с агрессивной средой
• Затруднения при нанесении защитных покрытий

Требования:

• Поверхности в агрессивных средах: Ra ≤ 0,8 мкм
• Поверхности под покрытия: Ra ≤ 1,25 мкм

Влияние на уплотнения:

• Неровности образуют каналы для протечек
• Требования особенно жесткие для подвижных уплотнений
• Важна не только высота, но и форма неровностей

Рекомендуемые значения:

• Поверхности под резиновые уплотнения: Ra = 0,32÷1,25 мкм
• Поверхности гидроаппаратуры: Ra ≤ 0,63 мкм
• Фланцевые соединения: Ra ≤ 3,2 мкм

Влияние на измерения:

• Шероховатость влияет на контакт с измерительными поверхностями
• Случайные погрешности измерений
• Систематические погрешности при определенных методах

Требования к измерительным поверхностям:

• Концевые меры: Ra ≤ 0,025 мкм
• Калибры: Ra ≤ 0,1 мкм
• Поверочные плиты: Ra ≤ 0,16 мкм

Контактные методы

Щуповые профилометры

Принцип работы:

• Механическое ощупывание поверхности алмазной иглой
• Преобразование вертикальных перемещений иглы в электрический сигнал
• Автоматическая обработка сигнала и расчет параметров

Характеристики:

• Радиус иглы: 2÷10 мкм
• Усилие ощупывания: 0,7÷4 мН
• Скорость ощупывания: 0,1÷5 мм/с

Преимущества:

• Высокая точность измерений
• Возможность измерения в труднодоступных местах
• Широкий диапазон измеряемых значений

Недостатки:

• Возможность повреждения поверхности
• Ограничения по крутизне склонов
• Влияние вибраций

Оптические методы

Интерферометрические системы:

• Использование интерференции света
• Высокая точность (до нанометров)
• Возможность измерения площадей

Конфокальная микроскопия:

• Сканирование поверхности лазерным лучом
• Построение 3D-карты поверхности
• Высокое разрешение

Преимущества бесконтактных методов:

• Отсутствие влияния на поверхность
• Высокая скорость измерений
• Возможность измерения мягких материалов

Принцип работы:

• Измерение расхода воздуха через зазор между соплом и поверхностью
• Косвенная оценка шероховатости

Применение:

• Экспресс-контроль в производстве
• Измерение внутренних поверхностей
• Интегральная оценка шероховатости

Образцы для сравнения (эталоны шероховатости)

Визуально-тактильное сравнение:

• Сравнение с эталонными образцами
• Быстрота оценки
• Субъективность результата

Типы эталонов:

• Токарные (Ra = 50÷0,4 мкм)
• Фрезерные (Ra = 25÷1,25 мкм)
• Шлифовальные (Ra = 6,3÷0,16 мкм)

Основной символ

Базовый символ шероховатости представляет собой знак √ с полкой для размещения параметров.

Структура обозначения

Ra 3,2

─────────

√

Дополнительные символы

√ — обработка поверхности обязательна (удаление материала)

○√ — обработка поверхности не допускается (без удаления материала)

√√ — вид обработки не регламентируется

В числителе (над чертой):

• Параметр шероховатости и его значение
• Способ обработки поверхности
• Направление неровностей

В знаменателе (под полкой):

• Базовая длина
• Дополнительные параметры
• Особые требования

Ra 1,6

─────── — среднее арифметическое отклонение

√

Rz 6,3

──────── — высота неровностей по 10 точкам

√

Ra 0,8 ↕

────────── — с указанием направления неровностей

√ l=0,25

• На линиях контура поверхности
• На выносных линиях
• На полках линий-выносок
• В правом верхнем углу чертежа (общие требования)

Методы механической обработки

Токарная обработка

Шероховатость при токарной обработке:

• Черновое точение: Ra = 25÷6,3 мкм
• Получистовое точение: Ra = 6,3÷1,6 мкм
• Чистовое точение: Ra = 1,6÷0,4 мкм
• Тонкое точение: Ra = 0,4÷0,1 мкм

Факторы влияния:

• Подача: Ra ~ f²
• Радиус при вершине резца: Ra ~ 1/r
• Скорость резания
• Вибрации системы СПИД

Достижимая шероховатость:

• Черновое фрезерование: Ra = 25÷12,5 мкм
• Получистовое: Ra = 6,3÷3,2 мкм
• Чистовое: Ra = 1,6÷0,8 мкм

Особенности:

• Циклический характер неровностей
• Влияние числа зубьев фрезы
• Зависимость от типа фрезерования (встречное/попутное)

Виды шлифовки и достижимая шероховатость:

• Обдирочное: Ra = 6,3÷1,6 мкм
• Чистовое: Ra = 1,6÷0,2 мкм
• Тонкое: Ra = 0,4÷0,05 мкм

Факторы влияния:

• Зернистость абразива
• Скорость и подача
• Правка шлифовального круга
• СОЖ

Хонингование:

• Ra = 0,63÷0,04 мкм
• Применение: цилиндры двигателей, гидроцилиндры

Суперфиниширование:

• Ra = 0,16÷0,01 мкм
• Применение: дорожки качения подшипников

Полирование:

• Ra = 0,1÷0,006 мкм
• Применение: оптические поверхности, декоративные покрытия

Притирка:

• Ra = 0,05÷0,003 мкм
• Применение: измерительные поверхности, уплотнительные поверхности

Обкатывание роликами

Достижимые результаты:

• Уменьшение Ra в 2÷4 раза
• Повышение твердости поверхностного слоя
• Создание остаточных сжимающих напряжений

Применение:

• Валы, оси
• Резьбовые поверхности
• Поверхности под подшипники

Дробеструйная обработка

Эффекты:

• Создание регулярной микрошероховатости
• Упрочнение поверхностного слоя
• Улучшение усталостной прочности

Электроэрозионная обработка

Характеристики шероховатости:

• Черновые режимы: Ra = 12,5÷3,2 мкм
• Чистовые режимы: Ra = 1,6÷0,4 мкм
• Зеркальные режимы: Ra ≤ 0,2 мкм

Лазерная обработка

Особенности:

• Возможность получения регулярных микроструктур
• Точное управление параметрами
• Локальное воздействие

Плазменная обработка

Применение:

• Модификация поверхности
• Создание функциональных покрытий
• Изменение шероховатости

Общие принципы

При выборе шероховатости следует учитывать:

• Функциональное назначение поверхности
• Условия эксплуатации детали
• Технологические возможности
• Экономическую целесообразность

Посадочные поверхности

Подшипники качения:

• Валы: Ra = 0,63÷1,25 мкм
• Корпуса: Ra = 1,25÷2,5 мкм

Подшипники скольжения:

• Валы: Ra = 0,32÷0,8 мкм
• Втулки: Ra = 0,8÷1,6 мкм

Рабочие поверхности

Зубчатые передачи:

• Активные поверхности зубьев: Ra = 1,25÷2,5 мкм
• Переходные поверхности: Ra = 2,5÷5 мкм

Кулачковые механизмы:

• Профиль кулачков: Ra = 0,32÷0,8 мкм
• Ролики толкателей: Ra = 0,16÷0,63 мкм

Уплотнительные поверхности

Неподвижные соединения:

• Фланцы: Ra = 1,6÷6,3 мкм
• Поверхности под прокладки: Ra = 3,2÷12,5 мкм

Подвижные соединения:

• Поверхности под манжеты: Ra = 0,32÷1,25 мкм
• Зеркала цилиндров: Ra = 0,8÷1,6 мкм

Зависимость стоимости от шероховатости:

• Переход от Ra 12,5 к Ra 6,3 — увеличение стоимости на 20−30%
• От Ra 6,3 к Ra 1,6 — увеличение на 50−70%
• От Ra 1,6 к Ra 0,4 — увеличение в 2−3 раза

Планирование контроля

Выборочный контроль:

• Определение репрезентативной выборки
• Статистические методы оценки
• Карты контроля процесса

Сплошной контроль:

• Критически важные поверхности
• Автоматизированный контроль
• Интеграция в технологический процесс

Протоколы измерений:

• Параметры измерительного оборудования
• Условия проведения измерений
• Результаты и их интерпретация

Статистическая обработка:

• Гистограммы распределения
• Индексы воспроизводимости процесса
• Тренды изменения параметров

Цифровизация измерений

3D-анализ поверхности:

• Объемные параметры шероховатости
• Функциональные характеристики
• Корреляция с эксплуатационными свойствами

Встроенный контроль:

• Датчики в зоне обработки
• Адаптивное управление процессом
• Предиктивная аналитика

Функциональные поверхности

Текстурированные поверхности:

• Регулярные микроструктуры
• Направленная шероховатость
• Функциональные свойства

Биомиметические поверхности:

• Копирование природных структур
• Снижение трения и износа
• Самоочищающиеся свойства

Шероховатость поверхности является критически важной характеристикой качества деталей машин, существенно влияющей на их эксплуатационные свойства. Правильное определение требований к шероховатости, выбор соответствующих методов обработки и контроля обеспечивают:

• Оптимальные функциональные свойства деталей
• Требуемый ресурс работы изделий
• Экономическую эффективность производства
• Конкурентоспособность продукции

Развитие современных технологий измерения и обработки поверхностей открывает новые возможности для создания функциональных поверхностей с заданными свойствами, что делает изучение проблем шероховатости особенно актуальным для современного машиностроения.

Список литературы

• ГОСТ 2789–73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. — М.: Стандартинформ, 2002.
• ГОСТ 25 142–82 Шероховатость поверхности. Термины и определения. — М.: Стандартинформ, 2002.
• ГОСТ 2.309−73 Единая система конструкторской документации. Обозначения шероховатости поверхностей. — М.: Стандартинформ, 2007.
• ISO 4287:1997 Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface texture: Profile method — Terms, definitions and surface texture parameters.
• ISO 4288:1996 Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface texture: Profile method — Rules and procedures for the assessment of surface texture.
• Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. — М.: Машиностроение, 2000. — 320 с.
• Суслов А.Г., Федоров В.П., Горленко О.А. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. — М.: Машиностроение, 1994. — 256 с.
• Маталин А.А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. — Киев: Техника, 1971. — 142 с.
• Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. — М.: Машиностроение, 1979. — 176 с.
• Дальский А.М., Суслов А.Г., Косилова А.Г., Мещеряков Р.К. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х томах. — 5-е изд., исправ. — М.: Машиностроение-1, 2001.
• Whitehouse D.J. Handbook of Surface and Nanometrology. — 2nd edition. — CRC Press, 2010. — 1118 p.
• Thomas T.R. Rough Surfaces. — 2nd edition. — Imperial College Press, 1999. — 276 p.
• Stout K.J., Sullivan P.J., Dong W.P., Mainsah E., Luo N., Mathia T., Zahouani H. The Development of Methods for the Characterisation of Roughness in Three Dimensions. — European Commission, 1993. — 464 p.
• Бржозовский Б.М., Мартынов В.В. Управление точностью обработки на металлорежущих станках. — Саратов: СГТУ, 2003. — 96 с.