Оцінка якості поверхні елементів технічних систем

До геометричних характеристик обробленої поверхні відносяться її шорсткість, форма, хвилястість і напрямок поверхонь після обробки різанням.

Шорсткість поверхні утворюється при обробці металів різанням у напрямках прямування подачі та головного робочого прямування різання. При цьому вимірювану шорсткість у напрямку прямування подачі називають поперечною, а в іншому випадку – поздовжньою. Оцінка її проводиться в напрямку її найбільшої висоти нерівностей, яка у поперечному напрямку у 2-3 рази більша, ніж у поздовжньому.

На шорсткість поверхні впливають пружна й пластична деформації у поверхневому шарі, режими різання, жорсткість системи ВПІД, форма та стан різальної частини інструменту, тертя між обробленою поверхнею і інструментом, а також вид оброблюваного матеріалу.

Із режимів різання суттєвий вплив на шорсткість поверхні має подача та швидкість різання заготовки. На рис. 1.21 наведена залежність зміни висоти нерівностей профілю від швидкості V головного прямування різання матеріалу з різних конструкційних сталей. Неадекватність наведеної кривої 3 пояснюються тим, що при деякій швидкості різання V температура підвищується до такої величини, при якій оброблюваний матеріал сильно розм’якшується і навіть оплавляється. Тому з підвищенням швидкості різання шорсткість обробленої поверхні зростає.

На шорсткість поверхні впливають пластичні явища захоплювання та відриву шарів матеріалу, що знаходяться під різальною кромкою під час обробки сталевих заготовок, а також явища виламування часток матеріалу (наприклад, сірого чавуну і міцних кольорових сплавів), тобто наростоутворення на передній поверхні інструменту. У певному інтервалі швидкості різання (для конструкційних сталей ) при обробці сталевих заготовок наріст, що утворюється, сприяє збільшенню шорсткості. При великих швидкостях різання () внаслідок припинення наростоутворення шорсткість зменшується (крива 4 на рис.1.21). Із збільшенням величини подачі явища захоплювання та відриву шарів металу зростають, при цьому зростає шорсткість поверхні за рахунок пружних відтиснень інструменту.

При малих значеннях на зростання шорсткості чинить вплив загальний шар, що утворюється на передньої поверхні інструменту (рис.1.22). Аналогічна картина спостерігається при зменшенні подачі до в основному за рахунок дії пружних відтиснень інструменту.

Вплив глибини різання на дану характеристику незначний і його практично можна не враховувати, а задаватися, виходячи з припуску на обробку.

На шорсткість поверхні впливають геометричні параметри різального інструменту. Зміна переднього кута (від 0^о до 20^о) в невеликій мірі впливає на якість поверхні, бо його величина на допоміжній різальній кромці при цьому змінюється мало. У свою чергу, задній кут значно виявляється на шорсткості, бо в міру зношування інструменту посилюється тертя задньої поверхні леза інструменту по обробленій поверхні. Так, висота нерівностей при обточуванні збільшується на 50%, а розсвердлювання отворів – на 20%. Зростає шорсткість поверхні із збільшенням головного кута в плані , особливо в діапазоні великих подач. Відносно впливу радіусу вершини різця слід визначити, що її збільшення сприяє зменшенню висоти .

При шліфуванні параметри шорсткості залежать від аналогічних факторів, які властиві обробці різанням. Якщо створення нерівностей відбувається без значних відхиленнях теплоти та пластичних деформацій, то в поверхневому шарі основним фактором у формуванні профілю поверхні може бути зернистість абразивного круга. Крім того, важливим фактором є подача та глибина шліфування. При глибині 0,005…0,02 мм помітний інтенсивний ріст висоти , а при середній та великій величини її (більше 0,02 мм) відбувається порівняно повільне підвищення .

Суттєвий вплив на шорсткість і хвилястість поверхні має жорсткість технологічної системи ВПІД. У процесі різання під дією радіальної складової сил різання і сил тертя виникає періодична зміна положення різальної кромки інструменту відносно оброблюваної поверхні. Ці переміщення породжуються щілинами у стиках і деформацією елементів системи. При встановленні рівноваги між силами різання і їх моментами, з одного боку, і силами опору та створюваними моментами, з другого, вказані переміщення припиняються. При плавній їх зміні спостерігається стійкість процесу, а параметри шорсткості й хвилястості знаходяться у межах допуску.

При обробці заготовок із м’якої маловуглецевої сталі виходить більш шорстка поверхня, ніж із сталі з великим процентним вмістом вуглецю. Підвищення вмісту сірки та присадки свинцю у сталі дає змогу отримати більш чисту поверхню зрізу, ніж заготовки із звичайних сталей. Аналогічні достоїнства спостерігаються при обробці заготовок із сталей з дрібнозернистою структурою у порівнянні з крупнозернистою. Наведені приклади є підтвердженням впливу механічних властивостей, хімічного складу сталі та структури матеріалу на шорсткість поверхні.

У результаті вібрації елементів технологічної системи на оброблюваній поверхні утворюються виступи та западини. Залежно від частоти й амплітуди коливань змінюються форма і розміри поверхневих нерівностей. При відносно невисокій частоті та великій амплітуді коливань на поверхні виникає хвилястість. Остання та мікронерівності можуть змінюватися на окремих ділянках поверхні залежно від зміни жорсткості системи в різних перерізах заготовки.

Форма поверхні на відміну від шорсткості, що являє собою відхилення малих ділянок поверхні, характеризується одиночними відхиленнями. Великі відхилення можуть звести нанівець всі переваги заключної операції, у зв’язку з чим на кресленнях вказують величину граничних відхилень. При відсутності на кресленнях таких вказівок відхилення форми поверхні не повинно перевищувати 0,5 допуску на розмір.

Причинами, що викликають відхилення форми від заданої, є похибка верстата, пружні деформації системи ВПІД, копіювання похибок попередньої обробки, розмір і форма різального інструменту. Деформації пружної системи можуть призвести до значних відхилень форми, що складають до 90% загального відхилення форми поверхонь оброблюваних деталей. У результаті можуть виникнути бочкоподібність, сідлоподібність, овальність та інші похибки форми деталі. Слід відзначити, що відхилення форми, викликані деформаціями системи ВПІД, можна розрахувати.

Звичайний спосіб вимірювання відхилень у двох взаємно перпендикулярних перерізах не дає повного уявлення про форму деталі. Тому для контролю форми поверхні застосовують спеціальні прилади (наприклад, моделі ВЕ-20А), які проводять безперервну запис форми поверхні в прямокутниках або полярних координатах. У прямокутних координатах записується форма поверхні в діаметральному перерізі та по твірній, а в поперечному перерізі дозволяє встановити похибку циліндричної поверхні деталі (рис.1.23).

Рис.1.23 – Круглограма циліндричної поверхні в поперечному перерізі

Принцип роботи універсального приладу моделі ВЕ-20А заснований на радіальному методі контролю і призначений для перевірки відхилень від округлості будь-якого перпендикулярного до осі перерізу зовнішніх (до 250 мм) і внутрішніх (3…200 мм) поверхонь деталей тіл обертання з високою точністю.

Хвилястість поверхні. Причиною хвилястості є вібрація, що виникає у певних умовах обробки різанням. Хвилястість характеризується висотою і кроком хвилі. Суттєвий вплив на експлуатаційні властивості деталі має висота хвилі, тому вона оцінюється при великому збільшенні (більше 1000-3000 разів) за допомогою профілографів, а також інтерференційних приладів.

Напрямок нерівностей після обробки різанням. Висота, форма і кут нахилу нерівностей не дають повного уявлення про геометрію поверхні. Важливою геометричною характеристикою є напрямок нерівностей після обробки, який по-різному впливає на зношування деталі при одних параметрах шорсткості поверхні.

Дослідження показали, що для певних умов експлуатації необхідно здійснювати вибір оптимальній спрямованості нерівностей поверхні. Так, при доброму змазуванні та легких умовах експлуатації доцільно вибирати напрямок нерівностей на робочих поверхнях, що збігається з напрямком робочого руху. При цьому, незважаючи на велику фактичну площу зіткнення поверхонь, добре змазування зберігає їх від схоплювання. При великому тиску та важких умовах роботи, а також відсутності змазки напрямки нерівностей повинні перехрещуватися, тому що паралельний напрямок сприяє заїданню робочих поверхонь.

При розміщенні нерівностей під кутом або перпендикулярно до напрямку робочого руху знос поверхонь збільшується. Характерно, що чим неоднорідний за висотою нерівності на більш твердій тертьовий поверхні, тим дужче відбувається знос м’якої складової пари тертя.