Раздел 9. Качество поверхности.

Качество поверхностного слоя – это совокупность всех его свойств. Свойства подразделяются на геометрические (шероховатость, волнистость и отклонение формы) и физико-механические (микротвердость – наклеп и остаточные напряжения).

Шероховатость.

Шероховатость поверхности представляет собой совокупность микронеровностей с малым шагом на некоторой базовой длине.

Cложилось два подхода к описанию профиля поверхности – параметрический и непараметрический.

Параметрический подход предусматривает описание профиля поверхности совокупностью частных параметров, в число которых входят , ,  (высотные), ,  (шаговые) и (структурный), также – среднеквадратическое отклонение профиля, – средняя квадратическая длина волны профиля,   – средняя длина волны профиля,   – длина растянутого профиля, – относительная длина профиля, – плотность выступов профиля, – средний квадратический наклон профиля, – средний арифметический наклон профиля, – опорная длина профиля, которые описаны в ГОСТ 2789–73 и ГОСТ 25142–82, там же установлены требования на направления микронеровностей. Многие из перечисленных параметров используются только в исследовательских работах.

Национальные стандарты других стран в основном содержат в себе параметры, прописанные в международном стандарте ISO 4287. В них предусмотрены также специфические параметры, которые используют только в исследованиях. Практически во всех национальных стандартах присутствуют следующие параметры: , , , , в большинстве регламентирована .

Все существующие стандарты рассматривают только двухмерные параметры шероховатости, в последнее время принят ряд рекомендаций по терминологии для трехмерной параметризации микронеровностей. В исследовательских работах прибегают к нерегламентированным параметрам шероховатости трехмерного представления, аналогичным описанным в стандартах: высотные – , , ; шаговые – , , , ; и относительная опорная площадь – . Для математического описания трехмерной шероховатости обычно используют теоретико-вероятностный подход. Геометрию обработанной поверхности рассматривают как результат суммарного воздействия периодических факторов и случайных возмущений. При таком методе описания возможно создание только эмпирических формул.

Непараметрический подход базируется на интерпретации профиля реальной поверхности как реализации случайной функции. Микрогеометрия реальной обработанной поверхности зависит от большого количества факторов (режима резания, геометрии инструмента, вибрации технологической системы и т.д.). Поэтому ее следует рассматривать как реализацию стационарного процесса с нормальным распределением вероятностей. В качестве характеристик данного процесса чаще используют длину опорной линии профиля, среднее арифметическое отклонение, средний квадрат отклонений и прочие. При непараметрическом подходе также возможно трехмерное описание шероховатости как однородного изотропного случайного поля от двух переменных с использованием соответствующих функционалов-параметров.

Также используют для оценки функции плотности распределения ординат и углов наклона профиля.

Предпринимаются попытки представить микротопографию поверхности фрактальной кластерной моделью, что актуально шлифованных поверхностей, после электрохимической обработки, обработки с применением нанотехнологий. Поверхность описывают множеством поверхностей правильной формы и малого размера. 

Шероховатость получается в результате сложных процессов деформирования срезаемого слоя, ее можно условно разделить на составляющие: составляющая от геометрии используемого инструмента (зависит от подачи, углов в плане и радиуса при вершине инструмента), составляющая от упругого восстановления поверхностного слоя после прохождения резца (составляет около 3% от всей), пластическая составляющая (зависит практически от всех параметров резания), составляющая от износа инструмента (под давлением все микронеровности на вершине заполняются и копируются на обработанную поверхность, при чистовой обработке инструмент тщательно затачивают, не допускают значительно износа) и составляющая от вибраций в технологической системе.

Формулы расчета геометрической составляющей высотного
параметра шероховатости

		или

При увеличении радиуса при вершине шероховатость уменьшается, но при радиусах больших 2 мм возникают большие радиальные силы резания, что ведет к возникновению вибраций. Поэтому, если необходимо получение низкой шероховатости на нежестких деталях применяют резцы с зачищающей режущей кромкой 0-2⁰ или применяют технологию Wiper (модификация формы радиуса при вер­шине) в инструментах фирм Sandvik Coromant, Kennametal, Mitsubishi Carbide и прочих, что позволяет увеличить подачу без ухудшения качества по­верхности или улучшить шероховатость без потери производительности.

Различают продольную и поперечную шероховатость. Измеряют в основном в поперечном направлении как имеющим наибольшую величину. 

Измерение параметров шероховатости производиться различными по строению и методам приборами. Наиболее распространены приборы, основанные на профильном методе измерения, которые разделяются на контактные: различные профилометры и профилометры-профилографы, работающие ощупывающей иглой, колебания которой индуктивным методом преобразуются в изменения напряжения электрического тока; и бесконтактные: двулучевые интерферометры, интерференционные микроскопы-профилометры, растровые измерительные микроскопы, иммерсионно-репликовыми микроинтерферометрами, муаровые одно объемные микроскопы, микроскопы светового сечения и теневой проекции и многие другие. Также и пневматические приборы, которые оценивают шероховатость по количеству и скорости воздуха, протекающего между измеряемой поверхностью и плотно прилегающим соплом прибора. Наибольшее распространение в машиностроение получили контактные приборы, т.к. они более удобны и надежны в использовании.

К тому же при использовании параллельных смещений движений щупа можно получить трехмерную информацию об измеряемой поверхности.

Работы по усовершенствованию методов и приборов измерения микротопографии ведется постоянно, особенно для трехмерной инженерии поверхности. В частности много работ по обработке полученных измерений, сокращении количества параметрической и служебной информации для использования данных методик для автоматизации процесса контроля в производстве.

Актуальным в последнее время также является разработка и внедрение самонастраивающихся (адаптивных) систем, предназначенных для комплексного решения вопросов регулирования качества продукции, т.е. измерение шероховатости поверхности непосредственно в процессе обработки измерением оптических характеристик отраженного излучения, в частности измерением поляризационных характеристик, в качестве источника света используется лазерный диод. Также разработана самообучающаяся система адаптивного управления шероховатостью, где подача рассчитывается, исходя из начальных параметров и требуемой шероховатости, далее происходит обработка, датчик снимает величину шероховатости и корректирует подачу, но технология работает с некоторым запаздыванием и на малых скоростях резания до 40 м/мин.

В большинстве стран мира при нормировании шероховатости одним из основных параметров шероховатости является относительная опорная длина профиля . Это связано с тем, что сама форма неровностей значительно влияет на эксплуатационные свойства деталей машин, такие как контактная жесткость и прочность, износостойкость, теплопроводность, герметичность соединений, прочность посадок и др. Форма опорной кривой и значения tp зависят от условий финишной обработки. В основном нормируют значения на уровнях p =20 и 50%, поскольку на уровне 20% наблюдаются наибольшие деформации, а на глубину более 50% деформации не проникают.

Влияние параметров обработки на шероховатость поверхности:
При увеличении скорости резания снижается степень деформации металла, следовательно, шероховатость поверхности, для материалов склонных к наростообразованию существует максимум.

1. С увеличением подачи увеличивается шероховатость, тем больше, чем больше скорость резания.

2. Глубина резания фактического влияния не оказывает, если отношение .

3. Износ инструмента. На окончательных этапах обработки износ контролируется по критерию затупления, поэтому значительного вклада в формируемую шероховатость не вносит.

4. С увеличением твердости обрабатываемого материала уменьшаются пластические течения в зоне стружкообразования, следовательно, уменьшается шероховатость.

5. СОЖ влияет только при резании со скоростями, соответствующими зоне наростообразования, при дальнейшем увеличении скорости уменьшение шероховатости незначительно, поскольку в зону пластического контакта СОЖ не проникает.

6. Геометрия инструмента (чем больше углы в плане и меньше радиус при вершине, тем больше геометрическая составляющая шероховатости поверхности).

7. Жесткость технологической системы. Чем выше, тем ниже шероховатость, при малой жесткости вклад вибрационной составляющей в шероховатость поверхности значителен, поэтому прецизионные станки имеют повышенную жесткость. Если деталь маложесткая, то подбирают соответствующую геометрию инструмента, снижающую прогибы и возможность возникновения колебаний.

Наклеп. При срезании стружки происходит деформация материала под поверхностью резания. Обрабатываемый материал здесь подвергается упругопластической деформации. Это происходит по двум причинам. Во-первых, потому, что режущее лезвие всегда имеет какое-то округление радиусом  и разделение металла происходит не по линии 1–1 (рис. 2), а по линии 2–2. Металл под линией 2–2 проволакивается под округленной частью режущего лезвия и пластически деформируется. Во-вторых, поверхность резания упруго восстанавливается после прохождения резца на величину «у» и трется о заднюю поверхность резца и повторно пластически деформируется.

Состояние материала под поверхностью резания оценивается: глубиной проникновения пластической деформации h и степенью упрочнения его поверхностных слоев C. Степенью упрочнения называется отношение твердости упрочненного поверхностного слоя к твердости основного (недеформированного) металла .

Степень упрочнения и глубина деформации зависят от глубины резания и подачи (с увеличением увеличиваются), скорости резания (с увеличением уменьшаются), геометрии режущего инструмента (чем больше радиус скругления лезвия, тем больше), свойств обрабатываемого материала и других факторов. В общем можно выделить силовой (упрочнение) и температурный (разупрочнение) факторы. Конечные значения степени и глубины наклепа зависят от преобладающих факторов.

Наклеп измеряют на косом срезе с малым углом через определенные интервалы или неразрушающим рентгенографическим методом.