Шероховатость шлифованных поверхностей и пути ее уменьшения

Шероховатость поверхности — это размерная характеристика микронеровностей. При обработке деталей на обрабатываемой по­верхности образуются мелкие неровности, выступы, впадины. Эти неровности имеют очень малые размеры, измеряемые при шлифова­нии десятыми и сотыми долями микрометра. Высота неровностей профиля шероховатости (или шероховатость) влияет на эксплуата­ционные качества сопрягаемых деталей (рис. 19).

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra — среднее ариф­метическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины /. Оно приближенно определяется нз выражения

П

Высота неровностей профиля по десяти точкам Л, — среднее расстояние между пятью высшими н пятью низшими точками изме­ряемого профиля в пределах базовой длины:

где Hi, Нз……… #9 — ординаты высших точек; Ні, /Л……………… Ни,—

ординаты низших точек, измеренные от лнннн, эквидистантной. сред­ней линии, и не пересекающих профиль.

Средний шаг поверхностей профиля Sm — расстояние между точками пересечения соседних участков измеряемого профиля, имею­щих положительную производную по средней линии профиля:

=- I

п и где п — число шагов в пределах базовой длины.

Средний шаг неровностей профиля по вершинам S — среднее арифметическое значение шага неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины:

П

1 I S’,

где Si — шаг неровностей по вершинам; п —- число шагов неров­ностей по вершинам в пределах базовой длины.

Опорная длина профиля ір — сумма длин отрезков, отсекаемых на выступах измеряемого профиля линией, эквидистантной средней линии, в пределах базовой длины;

П

где Ь, — длина отрезка, отсекаемого на выступе измеряемого про­филя линией, эквидистантной средней линии, в пределах базовой длины; п — число отрезков, отсекаемых на выступах измеряемого профиля линией, эквидистантной средней линии, в пределах базовой длины.

Относительная опорная длина профиля tp — отношение опорной длины профиля к базовой длине 1р—(цР/1) 100, где р — уровень сечения профиля.

Опорная кривая профиля — графическое изображение зависи­мости значений относительной опорной длины профиля от высоты ее расположения относительно линии выступов.

Волнистость поверхности — это ряд повторяющихся возвышений и впадии с относительно большим шагом. В отличие от шерохо­ватости поверхности волнистость характеризуется неровностями, имеющими значительно больший шаг, чем неровности, образующие шероховатость. По высоте шероховатость и волнистость оказы­ваются близкими. Границы между шероховатостью, волнистостью и погрешностями формы можно установить по значению отношения шага S к высоте R неровностей. Неровности, у которых отношение S/R<50, относят к шероховатости, при!000>S//?^50 — к вол­нистости и при S/R> 1000 — к отклонениям формы.

Волнистость обычно является следствием относительных ра­диальных колебаний шлифовального круга и обрабатываемой заго­товки.

Шероховатость поверхности при наружном круглом шлифова­нии зависит от следующих факторов:

скорости подач, с увеличением которых высота шероховатостей возрастает;

окружной скорости круга, с увеличением ее возрастает коли­чество абразивных зерен, участвующих в процессе шлифования в единицу времени, а это приводит к уменьшению глубины вре­зания отдельных зерен, что обеспечивает уменьшение шероховатости поверхности;

времени выхаживания, при выхаживании упругая система возвращается в исходное положение, при этом натяг в системе уменьшается, а вместе с ним и глубина внедрения абразивных зерен в обрабатываемую поверхность. Уменьшение глубины внедре­ния обеспечивает существенное уменьшение высоты шероховатости поверхности. Время выхаживания возрастает с увеличением поверх­ности обработки в системе, с уменьшением жесткости системы и режу­щей способности круга. Снижение натяга и уменьшение шероховато­сти поверхности происходит интенсивно в начале выхаживания, затем замедляется, поэтому время выхаживания обычно ограничивают;

зернистости круга, с уменьшением размеров абразивных зерен шероховатость поверхности уменьшается;

режима правки круга, с уменьшением продольной подачи алмаза на одни оборот круга уменьшается шероховатость. Применяя очень малую подачу алмазного инструмента при правке круга, можно получить параметр шероховатости R,, = 0,16-^0,04 мкм кругом зер­нистостью 40— 25. Однако с уменьшением подачи на оборот круга при правке снижается его режущая способность и увеличивается время правки:

твердости круга, параметр шероховатости поверхности в извест­ном диапазоне твердостей уменьшается с увеличением твердости;

неравномерная твердость круга может быть источником вибра­ций и увеличения шероховатости обработанной поверхности;

материала связки круга, при работе кругами иа вулканптовой и бакелитовой связках с повышением упругих свойств связки шеро­ховатость уменьшается, особенно, при использовании специальных кругов на бакелитовой связке с графитовым наполнителем, обла­дающим смазывающим действием;

времени работы круга после правки, с увеличением времени работы шероховатость увеличивается, что объясняется ухудшением микрорельефа образующей круга из-за неоднородности его износа, а также возрастанием амплитуды автоколебаний при притуплении круга;

свойств обрабатываемого металла, с уменьшением микротвер­дости высота микронеровиостей на поверхности черных металлов возрастает, особенно в тех случаях, когда абразивный материал не является оптимальным для обрабатываемого металла;

смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), применение масла и масляных эмульсий взамен водно-химических растворов уменьшает шероховатость, загрязнение СОЖ приводит к увеличению шерохова­тости поверхности;

состояния станка, при повышенных зазорах в опорах на обра­батываемой поверхности появляются часто расположенные следы виб­раций. При биении шпинделя на поверхности заготовки появляются длинные и редко расположенные следы вибраций, то же происходит при недостаточной балансировке электродвигателя.

При повышенных требованиях к параметрам шероховатости поверхности (Ra =0,32 4-0,04 мкм) применяют тонкое шлифование, которые, в;’свою очередь, требует:

хорошего состояния станка (безвибрационная работа, плавность малых перемещений);

тщательной балансировки круга;

малых подач при правке круга (для Ra = 0,08-^0,04 мкм — 0,01 — 0,025 мм/об, для R„ = 0,16-^0,08 мкм — 0,03—0,05 мм/об и для Ra = 0,32^-0,16 мкм — 0,06—0,08 мм/об); тщательной очистки СОЖ; легких режимов шлифования;

применения кругов на бакелитовой связке с графитовым на­полнителем при припуске 0,02—0,05 мм и исходном параметре шеро­ховатости Ra = 0,63н — 0,32 мкм или кругов на глифталевой связке.

Для контроля шероховатости шлифованных поверхностей при­меряют следующие методы:

визуальный с помощью лупы или микроскопа; оптический метод с помощью двойного или интерференционного микроскопа;

метод ощупывания алмазной иглой;

пневматический метод, основанный на продувании сжатого воз­духа через зазор между головкой прибора и контролируемой по­верхностью.

Контроль шероховатости поверхности визуальным методом заключается в рассмотрении поверхности либо невооруженным глазом, либо с помощью лупы или микроскопа путем сравнения обработанной поверхности с эталоном.

К достоинствам способа относятся: наглядность, простота и быстрота проверки. Недостатки этого способа — субъективность

оценки, потребность в эта­лонах, быстрое изменение поверхности эталона. При ви­зуальном контроле необходи­мо постоянное освещение, в противном случае отражение света от поверхности детали и эталона может привести к неправильной оценке шеро­ховатости поверхности.

При оптическом методе применяют микроскопы срав­нения (рис. 20). От лам­почки / лучи света падают в призму 2, где разделяются на два направления. Часть лучей проходит через приз­му 2, диафрагму 6, срезаю­щую половину поля зрения, попадает на поверхность эталона 5 и, отразившись от него, возвращается в приз­му 2. Отразившись от ги­потенузы призмы, лучи по­падают в объектив 4 ив половине поля зрения оку­ляра 3 дают изображение поверхности эталона 5. Другая часть лучей направляется гипотенузой призмы 2 вниз, проходит диафрагму 7 и, отразившись от контро­лируемой поверхности детали 8, возвращается в призму 2, проходит через объектив 4 и дает во второй половине окуляра 3 изображение поверхности контролируемой детали 8, расположенной рядом с изображением поверхности эталона.

Микроскоп сравнения имеет увеличение в 55 раз и поле зрения 2,8 мм. С помощью микроскопа можно различать шероховатость до R„ = 0,08 мкм.

Более точная оценка параметра шероховатости поверхности возможна с помощью двойного микроскопа методом светового се­чения. Этот метод заключается в том, что узкая полоска света, падая под углом 45° на контролируемую поверхность, отражается от нее в виде полоски, изогнутой соответственно гребешкам и впадинам этой поверхности (рис. 21), и становится видимой через окуляр. При помощи окулярного микрометрического винта производится отсчет па­раметра шероховатости поверхности. Видимая высота неровностей профиля шероховатости будет больше действительной. Действитель­
ная высота подсчитывается по формуле R^ = H cos 45°, где Н — види­мая высота неровностей профиля шероховатости. Двойной микроскоп позволяет измерять шероховатость ft, = 2,5-Ь 0,16 мкм.

Измерение шероховатости производится на профилографах — профилометрах путем преобразования перемещений алмазной иглы, ощупывающей шероховатую поверхность, в электрические сигналы, которые выводятся на регистрирующий прибор в виде значения па­раметра или записываются в виде профилограммы.

Профилограф-профилометр модели 203 выпускается заводом «Калибр» (Москва). Вертикальное увеличение прибора 400—200 000,

Рис. 21. Схема двойного микроскопа на основе метода светового сечения

горизонтальное 2 — 40 000. Измерительное усилие 0,001 Н, что позво­ляет измерять шероховатость без повреждения поверхности деталей с покрытиями. Прибор позволяет оценивать шероховатость по ft, на базовых длинах от 0,08 до 2,5 мм в пределах ft, = 2,5-j-0,65 мкм. Прибор состоит из унифицированных блоков: стойки с кареткой, универсального столика, датчика, мотопривода, электронного блока С показывающим прибором и записывающего прибора. Действие прибора основано на принципе ощупывания исследуемой поверхности алмазной иглой с радиусом закругления 2—4 или 10—12 мкм и преобразования колебаний иглы с помощью индуктивного датчика.

Завод «Калибр» выпускает профилограф-профилометр мо­дели 253, переносный прибор цехового типа. По шкале прибора проверяется параметр ft,. Погрешность показаний по профилограмме ±16%. Скорость трассирования при профилометрирований

0, 62 мм/с. Радиус острия ощупывающей иглы 10 мкм. Измеритель­ное усилие ощупывающей иглы до 0,01 Н.

Электрическая часть прибора (рис. 22) состоит из датчика, электронного блока 7 с показывающим прибором 8 и записывающего прибора 9. Магнитная система датчика состоит из сдвоенного Ш-об- разного сердечника 1 с двумя катушками 4. Катушка датчика и две половины первичной обмотки дифференциального входного трансфор-

матора 6 образуют балансовый мост, который питается от гене­ратора звуковой частоты 5. При перемещении датчика относительно исследуемой поверхности игла 3, ощупывая неровности поверхности, совершает колебания, приведя в колебательное движение якорь 2. Ко­лебание якоря меняет воздушные зазоры между якорем и сердеч-

ником и тем самым вызывает изменения напряжения на выходе диф­ференциального трансформатора. Полученные изменения напряжения усиливаются электронным блоком, на выходе которого подключается записывающий или показывающий прибор.

Для измерения шероховатости У?2=0,1 -—0,025 мкм находят при­менение интерференционные микроскопы. Интерференция света — возможное усилие или ослабление световых волн при их наложении друг на друга. Микроскоп МИИ-1 (рис. 23) устроен следующим образом. От источника света 3 через диафрагму и линзы пучок света
направляется па разделительную призму 5, состоящую из двух склеен­ных между собой по диагональной плоскости призм. Эта плоскость наполовину посеребрена, в результате чего часть лучей проходит прямо сквозь призму и падает на эталонное зеркало 6, а другая часть лучей преломляется и падает на контролируемую поверхность де­тали 4. Лучи, отраженные от эталонного зеркала 6 и от контроли­руемой поверхности 4, вновь встречаются в разделительной призме 5 и направляются через линзу 2 в окуляр 1 прибора. Через окуляр можно наблюдать интерференционные полосы, изгиб которых соот­ветствует микропрофилю поверхности, причем масштабом служит расстояние между серединами двух соседних темных (или светлых) полос, соответствующих длине полуволны света (для белого света 0,275 мкм). Таким образом, шероховатость определяется путем изме­рения размера стрелы изгиба одной полосы, полученный результат умножается на 1/2 длины световой волны и делится на измеренное расстояние между двумя полосами. Ширину и направление интер­ференционных полос можно регулировать. Окуляр снабжен окуляр­ным микрометром. Измеряемый объект может перемещаться в про­дольном и поперечном направлениях. Прибор снабжен фотокамерой, встроенной в его корпус. Фотографирование производится на стеклянные пластинки, что повышает точность последующих изме­рений. Проявленные пластинки помещаются на проектор, и на экране обводится граничная линия средней полосы интерферограммы. Таким образом, получается профилограмма поверхности, под­вергаемая далее обычной статистической обработке. На приборе можно производить и непосредственное измерение шероховатости, пользуясь окулярным микроскопом.