Как подобрать правильно шероховатость поверхности

Для подбора необходимой шероховатости,  меры мелких неровностей поверхности необходимо сначала определить практические требования к поверхности. 

Правильно выбранная шероховатость детали поможет избежать проблем с целостностью, прочностью, долговечностью, герметичностью и функциональностью. Выбор параметра шероховатости для детали – это умения, которыми должны обладать специалисты создающие чертежи. Они должны учитывать ряд факторов, таких как условия эксплуатации изделия, уровень нагрузки, скорость, срок службы, свойства материалов, требуемый уровень точности, и т.д. Выбор правильного уровня шероховатости - один из ключевых факторов, обеспечивающих успешный результат правильной работы детали.

Помимо размеров и допусков, еще одним важным условием является чистота поверхности. Технические требования для большинства деталей на чертеже включают характеристики шероховатости поверхности. Шероховатость поверхности - это обычно то, что инженеры имеют в виду, когда говорят о «чистоте поверхности». Дизайнеры могут более правильно использовать термин «текстура поверхности». Шероховатость поверхности не только влияет на внешний вид объекта, но также создает текстурные или тактильные различия. Внешний вид и текстура могут влиять на добавленную стоимость продукта, такую ​​как класс и удовлетворенность потребителей.

Как выбрать оптимальную шероховатость, не переплатить за обработку

Шероховатость поверхности детали имеет решающее значение для ее функции и долговременной работы. Что касается инженерных поверхностей, считается, что шероховатость ухудшает рабочие характеристики детали. Как следствие, большинство производственных чертежей устанавливают верхний предел шероховатости, но не нижний предел. Исключение составляют отверстия цилиндров, где масло остается в профиле поверхности и требуется минимальная шероховатость. Структура поверхности часто тесно связана со свойствами трения и износа поверхности. Если деталь соприкасается с чем-либо, шероховатость ее поверхности влияет на степень износа или способность образовывать уплотнение. Поверхность с более большим значением обычно будет иметь несколько более высокое трение и быстро изнашиваться.

Гребной винт корабля изначально имеют довольно высокие стандарты чистоты поверхности, но при фактическом использовании они довольно быстро могут разрушаются. Так как тяга возникает за счет перемещения большого количества воды, наблюдается трение воды о лопасти винта, это вызывает вибрацию и самое страшное явление для гребных винтов - кавитацию. Оптика и особенно компоненты, используемые с рентгеновскими лучами, имеют одни из самых высоких требований к чистоте поверхности. Если деталь должна быть окрашена, шероховатость также влияет на смачивание и толщину краски. С увеличением шероховатости поверхности коррозионная стойкость снижается, так как облегчается смачивание металла и на его поверхности имеется больше активных мест.

До недавнего времени измерение и определение качества поверхности оставалось предметом различных спекуляций. Количество различных стандартов, используемых разными производителями оборудования, привело к большой путанице и недопониманию во всей отрасли. Поэтому в последние годы потребовалось численно контролировать тонкую неровность поверхности.

В настоящее время все более строгие требования предъявляются к чистоте поверхности всего технологического оборудования в фармацевтической и биотехнологической промышленности, и многие поставщики клапанов и трубопроводов в настоящее время проводят количественную оценку шероховатости поверхности ответственных частей своего продукта.

Как образуется шероховатость? 

Причины возникновения шероховатости: расположение режущих кромок инструмента относительно обрабатываемой поверхности, упругая и пластическая деформация обрабатываемого материала; скорость и вибрации в механической станочной системе.Шероховатость является основной составляющей текстуры поверхности и представляет собой отклонения в направлении вектора нормали реальной поверхности от ее идеальной формы. Шероховатость – это периодические или непериодические неровности поверхности заготовки с небольшими промежутками, присущие процессу формообразования, изготовления детали.

Шероховатость обычно считается высокочастотной коротковолновой составляющей измеряемой поверхности. Шероховатость поверхности оценивается по неровностям профиля (чаще поперечного), получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью (чаще всего в нормальном сечении). На практике профиль поверхности получают с помощью профилографа. Соотношение между расстоянием и глубиной шероховатости обычно составляет от 150:1 до 5:1 (VDI/VDE 2601). Шероховатость оценивают по одной или нескольким частям поверхности.

Сколько существует классов шероховатости поверхности?

Шероховатость поверхностей регламентируется следующим  стандартом ГОСТ 2789-71, им установлено 14 классов шероховатости поверхности. Самый точный класс чистоты - это 14-й, самый грубый – это 1-й. Причем классы 1—5, 13 и 14 определены через параметр Rz, классы 6—12 через параметр Ra.

Что такое Ra и Rz? Как определяется шероховатость поверхности?

Основным во всех случаях является нормирование высотных параметров. Количественно шероховатость поверхности можно оценивать одним или несколькими параметрами: 

• Ra – среднее арифметическое отклонение профиля.
• Rz – высота неровностей профиля по десяти точкам. 
• Rmax - наибольшей высотой неровностей профиля.
• Sm - средним шагом неровностей профиля.
• S -  средним шагом неровностей профиля по вершинам.
• tp - относительная опорная длина профиля, где p - значение уровня сечения профиля.

ГОСТ 25142-82 устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий, относящихся к шероховатости поверхности.

Предпочтительным считается и чаще используется параметр Ra, который наиболее информативен и обеспечен надежными средствами изменений. Параметр Rz применяют при нормировании небольших неровностей (диапазон от 0,025 до 0,1 мкм) и на малых по размерам поверхностях, где практически невозможно применить ощупывающие приборы, а также при нормировании требований к большим (грубым) поверхностным неровностям (диапазон от 10 до 1600 мкм). Для перехода от одного параметра к другому часто пользуются соотношениями: Ra ≈ 0,25Rz при Rz ≥ 8 мкм, Ra ≈ 0,2Rz при Rz < 8 мкм. Остальные параметры на практике применяются редко, при особых эксплуатационных требованиях к поверхности. Поэтому далее более подробно рассмотрим только параметры Ra и Rz. Rz часто предпочитают Ra в Европе и особенно в Германии.

Шероховатость (ГОСТ 2.309-68) измеряется в микрометрах (мкм), параметр Ra является предпочтительным. 

Размеры некоторых знакомых предметов:

• Диаметр человеческого волоса: от 40 до 75 мкм.
• Диаметр нити паутины: от 2,5 до 5 мкм.
• Диаметр атома водорода: 0,0001 мкм

Одна из причин, по которой это так распространено, заключается в том, что довольно легко получить абсолютное значение сигнала и интегрировать его с помощью аналоговой электроники, поэтому Ra можно измерить приборами, не содержащими цифровых схем. 

Типы поверхностей.

По этой причине поверхности также подверглись классификации. В производстве встречаются следующие их виды:

• Ограничительные и соединительные поверхности – элементы, служащие ограничением для работающих механизмов: корпуса приборов, станков, различные фиксаторы и прочие механизмы. Данные поверхности, в зависимости от требований, могут подвергаться обработке, параметры соответствуют Ra=20...2,5 мкм, Rz=80...10 мкм.
• Установочные поверхности – детали находятся в соприкосновении, но по отношению друг к другу неподвижны, к которым не предъявляются требования по герметичности. Подлежат обработке и должны соответствовать показателям Ra=20...2,5 мкм, Rz=80...10 мкм.
• Рабочие поверхности , которые перемещаются друг относительно друга, соединения типа поршень-цилиндр в устройствах двигателей, насосов и т.д. Детали, используемые в механизмах, обязательно должны обрабатываться с высокой точностью, а показатели соответствовать  величинам  Ra=2,5...0,16 мкм, Rz=10...0,8 мкм.
• Специальные поверхности - детали внешних корпусов механизмов, агрегатов. Параметры шероховатости должны соответствовать Ra=5,0...1,25 мкм, Rz=20...6,3 мкм. Особо стоит отметить требования, предъявляемые к органам управления механизмов приборов, у которых показатели должны находится на уровне Ra=0,63...0,08 мкм, Rz=3,2...0,4 мкм

Где указывается шероховатость? Как поставить неуказанную шероховатость?

Указывают допустимые значения микронеровностей для отдельных поверхностей знаками шероховатости и общую неуказанную для всех других поверхностей (правый верхний угол чертежа), обеспечивающих работоспособность детали в соединении с другими. Размеры и толщина линий знака вынесенного в угол чертежа, должны быть примерно в 1,5 раза больше чем на изображении. Привычная нам галочка с цифрой говорит о том, что перед нами часть поверхности с определенной шероховатостью. В зависимости от условий работы поверхности назначается параметр шероховатости при проектировании деталей машин, также существует связь между предельным отклонением размера, методом обработки и шероховатостью.

Варианты шероховатости получаемые мехобработкой.

На качество поверхности влияет множество факторов, самый большой из которых - производственный процесс. Для процессов обработки, таких как фрезерование, токарная обработка и шлифование, добавляются например такие факторы, как выбор режущего инструмента, состояние станка, подача, скорость, состояние инструмента , ширина реза, глубина резания, температура в помещении, тип СОЖ и вибрация являются всего лишь немногие из многих. Ниже приведен рисунок из основных вариантов шероховатости получаемых обработкой, которых хватит для любой разработки изделия, не требующей каких-то особенных функций.

1. фрезерование: Ra 12,5 - 0,4 (3 - 8 классы обработки);
2. сверление: Ra 12,5 - 0,2 (3 - 9 классы обработки);
3. прорезание: Ra 50 - 3,2 (1 - 5 классы обработки);
4. протягивание: Ra 6,3 - 0,2 (4 - 9 классы обработки);
5. резьбонарезание: Ra 6,3 - 1,6 (4 - 6 классы обработки);
6. развертывание: Ra 2,5 - 0,4 (5 - 8 классы обработки);
7. растачивание: Ra 3,2 - 0,1 (5 - 10 классы обработки);
8. шлифование: Ra 3,2 - 0,1 (5 - 10 классы обработки).

За период работы конструктором с 2007 года на трех предприятиях встречал в основном только их.

Контроль шероховатости. Как и чем измеряется шероховатость?

На чертежах для деталей указываются различные уровни шероховатости, которые могут быть измерены с помощью специальных инструментов, таких как профилометр. Также могут использоваться эмпирические методы, такие как сравнение с уже существующими поверхностями.

Контроль шероховатости поверхности может проводиться:

1. Сравнением поверхности изделия с образцами шероховатости поверхности по ГОСТ 9378-93 для конкретных способов обработки. Вместо образцов шероховатости могут применяться аттестованные образцовые детали. Используя визуальный осмотр можно достаточно точно дать характеристику поверхностного  слоя при характеристиках  Ra=0,6...0,8 мкм и выше.
2. Измерением параметров шероховатости непосредственно по шкале приборов (Профилометр TIME3220), либо по увеличенному изображению профиля, или записанной профилограмме сечения, полученным на профилографах.

Что означает знак шероховатости поверхности? Обозначение шероховатости поверхности.

Формы полки знака шероховатости (ГОСТ 2.309 – 73. Обозначения шероховатости поверхностей) и типы направления неровностей шероховатости представлены на рисунке ниже. Этот основной символ состоит из двух ножек разной длины ✓ - они наклонены под углом примерно 60 градусов к линии, представляющей обрабатываемую поверхность, с касанием вершины и продолжением полкой справа. Основной знак, соответствующий обычному условию нормирования шероховатости, когда метод образования поверхности чертежом не регламентируется. Означает, что разработчику чертежа детали безразличен вид обработки детали, и изготовитель может применить любой вид обработки – со снятием или без снятия материала.

• При указании наибольшего значения параметра шероховатости в обозначении приводят параметр шероховатости без предельных отклонений Ra 12,5.
• При указании наименьшего значения параметра шероховатости после обозначения параметра следует указывать "Ra 12,5 min".

При указании двух и более параметров шероховатости поверхности в обозначении шероховатости значения параметров записывают сверху вниз в следующем порядке:

1. параметр высоты неровностей профиля
2. параметр шага неровностей профиля
3. относительная опорная длина профиля

Такая структура дает возможность инженеру-конструктору указать на чертеже все необходимые ему требования к качеству поверхностей. Если конструктор считает необходимым, он может назначить значения как одного, так и нескольких параметров на одну поверхность. Для каждого параметра можно установить наибольший предел, который не должно превышать действительное значение этого параметра шероховатости либо, когда слишком гладкая поверхность недопустима, диапазон значений параметра шероховатости, либо номинальное значение с предельными отклонениями в процентах от номинального.

Рассмотрим пример такого полного обозначения. Прочитать его следует так: высотный параметр Ra должен быть не более 0,1 мкм на базовой длине 0,8 мм; средний шаг неровностей профиля Sm должен находиться в пределах от 0,040 до 0,063 мм на базовой длине 0,8 мм; относительная опорная длина профиля t50 80 + 10% на базовой длине 0,25 мм; направление неровностей произвольное; способ окончательной обработки – полирование.

К основному символу необходимо добавить горизонтальную полосу ⊽. преобразовав его в равносторонний треугольник - знак, соответствующий, конструкторскому требованию, чтобы поверхность была образована удалением слоя материала, например: фрезерованием, точением, шлифованием, полированием, травлением и т. п. (конкретный вид обработки может и не указываться).

Если поверхность должна быть изготовлена без удаления материала или когда поверхность должна быть оставлена в том же состоянии, что и в результате другого производственного процесса, независимо от того, было ли это состояние достигнуто удалением материала или иным образом, пишется в основной символ круг ⵔ. 

Знак без числового значения и символ круг ⵔ – применяется для поверхностей, по данному чертежу вообще не подлежащих обработке, т.е. деталь изготавливается из проката или литой, штампованной или другой заготовки; часть поверхностей находится «в состоянии поставки». Требования к шероховатости поверхностей, обозначенной таким знаком без цифр, определены стандартом на сортамент (на этот стандарт должна быть ссылка в графе «Материалы» основной надписи чертежа: Круг 11 2590-2006/ 30ХГСА ГОСТ 4543-71).

Направление неровностей шероховатости.

В дополнение к параметрам для более полных характеристик шероховатости учитывается направление неровностей произвольное, параллельное, перпендикулярное и др.

Произвольное направление обозначают знаком М, параллельное ═ - двумя горизонтальными параллельными линиями, C кругообразное направление неровностей (приблизительно кругообразно по отношению к центру поверхности), R радиальное направление неровностей (приблизительно радиально по отношению к центру поверхности), Ⅹ перекрещивающееся направление неровностей (перекрещивание в двух направлениях наклонно к линии, изображающей на чертеже поверхность), P - хаотичное направление неровностей, а перпендикулярное ┸ - двумя взаимно перпендикулярными линиями.

Для уменьшения трения скольжения и износа трущихся поверхностей лучше принимать произвольное направление неровностей. Для деталей, подверженных усталостному разрушению, наименее благоприятным является расположение неровностей, перпендикулярное оси изгиба или кручения.

Обозначение шероховатости поверхности, в которых знак имеет полку располагают с учетом его поворота относительно основной надписи чертежа.

Правила обозначения шероховатости поверхностей на чертеже.

• При изображении изделия с разрывом обозначение шероховатости наносят только на одной части изображения, по возможности ближе к месту указания размеров.
• Обозначение шероховатости поверхностей повторяющихся элементов изделия (отверстий, пазов, зубьев и т.п.), количество которых указано на чертеже, а также обозначение шероховатости одной и той же поверхности наносят один раз, независимо от числа изображений.
• Если шероховатость одной и той же поверхности различна на отдельных участках, то эти участки разграничивают сплошной тонкой линией с нанесением соответствующих размеров и обозначений шероховатости. Через заштрихованную зону линию границы между участками не проводят.
• Обозначение шероховатости рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес, шлицев и т.п., если на чертеже не приведен их профиль, условно наносят на линии делительной поверхности, а для глобоидных червяков и сопряженных с ними колес — на линии расчетной окружности.
• Обозначение шероховатости поверхности профиля резьбы наносят по общим правилам при изображении профиля, или условно на выносной линии для указания размера резьбы, на размерной линии или на ее продолжении.
• Если шероховатость поверхностей, образующих контур, должна быть одинаковой, обозначение шероховатости наносят один раз с дополнительным значком (кругом).
• Вид обработки поверхности указывают в обозначении шероховатости только в случаях, когда он является единственным, применимым для получения требуемого качества поверхности.
• Обозначение одинаковой шероховатости поверхности сложной конфигурации допускается приводить в технических требованиях чертежа со ссылкой на буквенное обозначение поверхности, нанесенное на полке линии-выноски проведенной от утолщенной штрихпунктирной линии, которая обозначает соответствующую поверхность на расстоянии 0,8...1 мм от линии контура.

Как выбрать шероховатость поверхности

 На самом деле все достаточно просто.

• Ra 12,5 Самый распространенный вариант шероховатости. Несопрягаемые поверхности неответственных деталей: оснований, кронштейнов, корпусов, свободные поверхности крепежных деталей. Отверстия на проход под болты, винты, головки винтов; поверхности пазов под головки болтов, винтов, гаек. Свободные несопрягаемые торцовые поверхности валов, муфт, втулок. Поверхности головок винтов. Это достаточно грубая обработка. Например, взяли кусок трубы, отпилили его болгаркой, напильником убрали явные заусеницы (и то не всегда) и оставили срез как есть, без обработки. Указывается практически на всех деталях, не требующих точной и тонкой обработки. Сюда походят: детали для сварки, гибки, обрезки, доработки и так далее. Все несущие конструкции. Деталь выглядит достаточно грубой.
• Ra 6,3 Более чистая поверхность, чем выше. Поверхности деталей, прилегающие к другим поверхностям, но не являющиеся посадочными: опорные плоскости корпусов, кронштейнов, крышек, торцы бобышек. Нерабочие торцы валов, втулок, планок. Торцовые поверхности под подшипники качения. Наружные свободные поверхности зубчатых колес. Канавки, фаски, выточки, зенковки, закругления и т.п. Например, после среза болгаркой место обработки чуть-чуть пройдут мягким напильником или той же болгаркой. Выглядит более гладкой, но не является идеальной. Применяется не деталях, которые должны быть аккуратными. Обработанная таким образом деталь смотрится более гладкой, без явных следов от инструмента.
• Ra 3,2; 2,5; 1,6 «Гладкая» деталь. Торцы ответственных валов, втулок, планок, поверхности канавок, выточек, дисков. Несопрягающиеся поверхности зубчатых колес, шлицевых валов и втулок. Рабочие поверхности шпонок и шпоночных пазов; эвольвентные поверхности профиля зуба стальных зубчатых колес. Шаровые поверхности ниппельных соединений, канавки под уплотнительные резиновые кольца подвижных и неподвижных торцовых соединений. При выборе класса шероховатости должны быть учтены свойства материала и твердость поверхности детали. Высокие показатели для сталей можно получить при твердости не ниже HRC 30—35. Стальные изделия, подлежащие чистой обработке, должны быть по меньшей мере подвергнуты улучшению или нормализации. Термически необработанные низкоуглеродистые стали тонкой обработке поддаются плохо. По ощущениям похожа скорее на обработанное шлифованное дерево или пластмассу, следов обработки нет, поверхности гладкая и ровная. Применяется в местах, где нужна гладкая поверхность, таких как места теплового контакта (обычно только то место, где есть контакт), местах плотного прилегания материалов через смазки (например, термопасту), местах склейки или там, где необходим идеальный контакт поверхностей.
• Ra 0,8; 0,4; 0,2 Применяется достаточно редко, только если нужно получить совсем идеальную ровную и гладкую поверхности. Например, в резьбовых кольцах или других достаточно специфических деталях. Посадочные поверхности с длительным сохранением заданной посадки: оси эксцентриков, точные червяки, зубчатые колеса. Притираемые поверхности в герметичных соединениях. Трущиеся поверхности малонагруженных деталей. Посадочные поверхности отверстий и валов под неподвижные посадки. Рабочие поверхности дисков трения. Поверхности резьбы ходовых винтов. Поверхности цилиндров, работающих с манжетами. Посадочные места подшипников качения. Наружные диаметры шлицевого соединения. Гладкая поверхность, почти зеркало или зеркало.

Иногда на поверхности требуется искусственно созданная шероховатость.

Наносятся узкие острые бороздки, придается шероховатость. Рифление (накатка) бывает разных видов и форм ГОСТ 21474-75, DIN 82. Накатка производится путем прижатия закаленного инструмента обратной стороной рисунка к детали, вращаемой на токарном станке. Обычные модели включают прямые, угловые и ромбовидные накатки. Такие бороздки называются «рифли». Любые рифления наносятся на рукоятки инструментов, штанги и ручки управления на электронном оборудовании методом холодного накатывания. Это сравнимо с созданием каких-либо различительных знаков, клейм, маркировки и так далее.

Вообще рифление достаточно часто используется в следующих случаях:

• запрессовка элементов крепежа в неразборном соединении, , например металлический штифт в пластмассовое изделие, поэтому выступающая деталь «вгрызается» в пластик независимо от того, соответствует ли размер отверстия в пластике диаметру штифта;
• позволяет рукам или пальцам лучше удерживать накатанный объект, чем это было бы при изначально гладкой металлической поверхности. а также увеличение скорости проведения монтажных работ;
• добавляет декоративный узор к материалу;
• в качестве метода ремонта: поскольку накатанная поверхность с накаткой имеет приподнятые участки, окружающие углубленные участки, эти приподнятые участки могут компенсировать износ детали.

Оптимальная шероховатость в рамках рабочих параметров и условий работы детали.

Задача инженера конструктора - определить как можно более оптимальную отделку поверхности, но при этом она будет работать в рамках желаемых рабочих параметров детали. Задача оператора станка - добиться такой же качественной обработки поверхности деталей, какой требует конструктор, но не лучше, поскольку это приводит к самым дешевым в производстве деталям. Разработчику и производителю важно согласовать, какие именно параметры (Ra, Rz ) будут использоваться для проверки и приемки деталей. Хотя между ними существуют общепринятые преобразования, на самом деле использование тех же параметров для проверки, которые проектировщик использовал при проектировании, всегда дает наилучшие результаты.

Простой алгоритм подбора шероховатости.

Можно следовать простому алгоритму:

1. Если деталь для уличного исполнения или грубой обработки, сварки и тому подобного – Ra 16; Ra 12,5, 
2. Если нужен плотный контакт поверхностей прессовые и конусные соединения, шпоночно-пазовые соединения (рабочие грани), рабочие поверхности зубьев, центрирующие буртики (фланцев, крышек, корпусных деталей и т. д.), резьбы повышенной точности, склейка, тепловой контакт и так далее – Ra 6,3; 3,2
3. Если нужна совсем идеальная поверхность: цилиндры под поршни, направляющие призматические поверхности, стыки герметичные (металл по металлу) (с притиркой) – Ra 1,6; 0,8
4. Если деталь должно выглядеть достаточно презентабельно – Ra 3,2, но тоже без фанатизма.

Также следует обратить внимание, что на больших деталях обычно много где встречаются поверхности не требующие дополнительной обработки, обеспеченные изготовителем (плоскости листов, кругов или внешние/внутренние поверхности труб), и тогда обрабатываются только места среза или обработки проката. Да и вообще, ставить на метровую деталь обработку 6,3 – это сразу же удорожает производство, так как на такую операцию будет потрачено много инструмента, а смысла в этом не будет никакого. Тогда как на маленькую деталь для какой-нибудь части двигателя автомобиля ставить 12,5 – получится брак.

Создаю индивидуальные проекты, оптимизирую существующие конструкции, повышаю надежность или прибыльность, а также проведу мозговой штурм для новых продуктов. Мой двенадцатилетний опыт и практика выполнения более пятьсот проектов делают предложение одним из лучших вариантов в области проектирования механических устройств.

Как вы считаете подобрать необходимую шероховатость поверхности для обработки детали эта статья дала вам полноценный ответ? Если у вас есть, что добавить по теме, не стесняйтесь. Как и всегда, если есть какие-то вопросы, мысли, дополнения и всё такое прочее, то добро пожаловать в комментарии к этой записи.