Качество Обработки Поверхности Деталей

На поверхности детали после фрезерования образуются неровности в виде чередующихся выступов и впадин (волнистость), следы зубьев фрезы в виде гребешков (шероховатость), возникают остаточные напряжения в верхнем слое металла, меняется твердость на разной глубине от поверхности (упрочнение и наклеп) и происходят другие явления, влияющие на эксплуатационные свойства поверхностного слоя деталей машин. Все перечисленные характеристики определяют качество поверхностного слоя или, сокращенно, качество обработки поверхности деталей.

В технике принято качество обработанной поверхности рассматривать с физико-механической и геометрической сторон.

Физико-механические свойства обработанной поверхности характеризуются отклонениями физических и механических свойств верхнего слоя металла от свойств в сердцевине детали.

Фрезерная обработка деталей на станках с ЧПУ ведет к значительным пластическим деформациям и поэтому свойства поверхности этой детали существенно отличаются от свойств исходного металла (заготовки). Металл в этом слое оказывается упрочненным, его твердость повышается, в нем возникают внутренние напряжения.

Степень и глубина упрочнения при фрезеровании зависят от режима резания, геометрии фрезы и свойств обрабатываемого металла.

При чистовом фрезеровании толщина упрочненного слоя не превышает нескольких сотых миллиметра, при черновом фрезеровании цилиндрической фрезой она достигает 0,12 мм (средние значения 0,04-0,08 мм) и при черновом фрезеровании торцовой фрезой - 0,2 мм (средние значения 0,06-0,10 мм).

Отношение твердости поверхностного слоя к твердости сердцевины при фрезеровании цилиндрическими и торцовыми фрезами составляет обычно в среднем 1,2-1,6 и достигает наибольшего значения 2,0.

Возникающие при фрезеровании остаточные внутренние напряжения достигают 20-80 кг/мм2 на глубине от поверхности 0,05-0,10 и иногда 0,3 мм.

Наличие упрочнения и внутренних напряжений в поверхностном слое, как правило, снижает усталостную прочность детали и вызывает ускоренное разрушение ее в работе. Поэтому фрезеровщик должен стремиться при обработке не применять затупленного инструмента, уменьшать при помощи интенсивного охлаждения температуру в зоне резания, по возможности разделять съем припуска на черновой и чистовой переходы, не увеличивать без необходимости подачу на зуб фрезы.

Качество обработанной поверхности определяется двумя группами параметров, одна из которых отражает физико-механические свойства материала поверхностного слоя обработанной поверхности, а другая характеризует геометрию реальной поверхности.

При фрезеровании качество поверхностного слоя зависит от ряда факторов, основными из которых являются силы и температура в зоне резания.

При снятии стружки зубом фрезы (см. рис. 2, Резание металлов) под действием силы резания обрабатываемая поверхность пластически деформируется, что иногда приводит к ее упрочнению (наклепу).

Глубина и степень наклепа зависят прежде всего от свойств обрабатываемого материала, от углов заточки режущего инструмента, влияют подача, скорость резания и степени затупления зубьев фрезы.

Теплообразование при резании металла оказывает влияние на формирование поверхностного слоя обработанной поверхности. В процессе резания поверхностный слой заготовки резко нагревается и расширяется. Нижние слои металла (менее нагретые) препятствуют расширению, и в поверхностном слое заготовки возникают сжимающие напряжения.

Охлаждение участка поверхностного слоя после обработки приводит к сжатию, чему препятствуют нижние и соседние слои металла, имеющие пока еще высокую температуру. На поверхности возникают растягивающие напряжения. Необходимо отметить, что чрезмерный нагрев поверхности может привести к разупрочению поверхностного слоя или даже его разрушению. В ряде случаев наличие на поверхности наклепанного слоя является полезным, так как повышается ее износостойкость.

Вторая группа параметров, определяющих качество обработанной поверхности, характеризует геометрию реальной поверхности и прежде всего ее шероховатость и форму. Эти параметры обусловлены целым рядом факторов, таких как износ режущего инструмента, погрешности элементов технологической системы, дефекты рабочих поверхностей режущего инструмента, неравномерность припуска и т. д. Геометрия реальной поверхности, как и физико-механические свойства поверхностного слоя, оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей.

Таким образом, очевидна необходимость обоснованного выбора как общей последовательности обработки деталей в целом, так и четкой регламентации отдельных операций. На практике такая регламентация осуществляется заданием определенных технологических процессов обработки деталей, устанавливаемых обычно технологическими службами предприятий - изготовителей изделий. Технологические процессы оформляются документально с учетом стандартов и действующих правил.

Неровности на поверхности детали, получающиеся после грубой обработки при большой подаче на зуб и глубине резания, видны и легко ощутимы пальцем. Неровности после получистовой и чистовой обработки при малой подаче на зуб и небольшой глубине резания незаметны невооруженным глазом и почти не ощутимы на ощупь.

Шероховатость (чистота) поверхности представляет собой совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности и условно рассматриваемых в пределах участка, длина которого выбирается в зависимости от характера поверхности и равна базовой длине l.

Современное машиностроение с его большими скоростями предъявляет весьма высокие требования к шероховатости (чистоте) поверхностей деталей машины.

Волнистость поверхности характеризуется неровностями, имеющими значительно больший шаг, чем неровности, образующие шероховатость.

Геометрическое представление о качестве поверхности в смысле наличия на ней гребешков, впадин, штрихов и других неровностей на малых участках ее называется микрогеометрией поверхности. На микрогеометрию поверхности при фрезеровании в основном влияют следующие факторы:

• режим фрезерования (скорость резания, подача на зуб, глубина резания и род охлаждаемой жидкости);
• вибрации вследствие недостаточной жесткости станка, приспособления, инструмента и детали;
• геометрия, качество и состояние заточки и износ зуба фрезы (трение задней поверхности зуба об обработанную поверхность);
• механические свойства обрабатываемого материала и материала инструмента.

Рис. 1. Профиль обработанной поверхности детали

Для объективного суждения о шероховатости (классе чистоты) поверхности после механической обработки служит Государственный общесоюзный стандарт «Шероховатость поверхности» (ГОСТ 2789-59). В этом стандарте для оценки шероховатости приняты два критерия: Ra - среднее арифметическое отклонение профиля и Rz - высота неровностей.

На рис. 1 показан условно профиль обработанной поверхности для определения величин Ra и Rz. Чтобы исключить влияние волнистости и отклонения формы и измерять только шероховатость, предусмотрено определение шероховатости на базовой длине l. Поэтому в ГОСТe 2789-59 величина шероховатости, отвечающая определенному классу, связана с величиной базовой длины: 0,08; 0,25; 0,8; 2,5 и 8 мм.

Высота неровностей Rz - среднее расстояние между находящимися в пределах базовой длины пятью высшими точками выступов и пятью низшими точками впадин, измеренное от линии, параллельной средней линии (см. рис. 1).

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra - среднее значение расстояний от точек измеренного профиля до его средней линии.

Расстояния от средней линии профиля суммируются по абсолютной величине. Обработанную фрезой поверхность оценивают по поперечной шероховатости, т. е. перпендикулярно в направлении подачи стола.

ГОСТ 2789-59 предусматривает 14 классов чистоты поверхности, для которых максимальные числовые значения шероховатости Ra или Rz при базовых длинах l должны соответствовать указанным в таблице на рис. 2.

Для обозначения всех классов чистоты предусматривается Один знак — равносторонний треугольник ▽. Рядом с треугольником указывается номер класса, например ▽7, ▽8, ▽14.

Числовое значение шероховатости (класса чистоты) поверхности ограничивает только максимальную величину шероховатости по параметру Ra или Rz. Так, например, ▽9 включает поверхность с Ra не более 0,32 мк. В тех случаях, когда необходимо ограничить максимальную и минимальную величины шероховатости, в обозначении должны указываться два номера классов: например, ▽9-10 указывает, что шероховатость должна быть по Ra не менее 0,16 и не более 0,32 мк.

Шероховатость (класс чистоты) поверхностей грубее 1-го класса обозначается знаком V, над которым указывается высота неровностей Ra в микронах.

Рассмотрим шероховатости (классы чистоты) поверхности, которые могут быть получены фрезерованием.

1-й, 2-й и 3-й классы (▽1, ▽2, ▽3) включают грубые поверхности, полученные в результате предварительного фрезерования.

4-й, 5-й и 6-й классы (▽4, ▽5, ▽6) включают поверхности, полученные чистовым фрезерованием.

7-й, 8-й и 9-й классы (▽7, ▽8 и ▽9) включают поверхности, полученные скоростным фрезерованием.

Поверхности с шероховатостью (классом чистоты) ▽10-▽14 фрезерованием получить нельзя. Они получаются при таких методах чистовой и отделочной обработки, как тонкое и скоростное шлифование, хонингование, суперфиниш, притирка, обработка алмазными инструментами, полирование. Шероховатость 10-го класса чистоты, рекомендуемая чертежом на режущих кромках некоторых фрез, достигается после абразивной заточки доводкой пастой.

Фрезерование с заданной чистотой (шероховатостью) поверхности по 2 и 3-му классам (▽2 и ▽3) не представляет никаких затруднений и легко осуществляется при черновой обработке.

Чистоту поверхности по 4, 5 и 6-му классам (▽4, ▽5 и ▽6) сравнительно легко можно получить при цилиндрическом и торцовом фрезеровании при работе на исправном оборудовании, при жестком закреплении деталей и незатупленной фрезе. Необходимый класс чистоты поверхности достигается соответствующим уменьшением подачи либо увеличением скорости резания.

Для получения шероховатости поверхности по 7, 8 и 9-му классам чистоты (▽7, ▽8 и ▽9) приходится выбирать геометрию фрезы (число зубьев для цилиндрической фрезы; φ и φ1 для торцовой фрезы) и назначать соответствующие режимы фрезерования. Особо важное значение при этом имеет достаточная жесткость системы станок - приспособление - инструмент - деталь и отсутствие биения фрезы.

Для получения более чистой поверхности при обработке плоскостей торцовыми фрезами большого диаметра можно устанавливать шпиндель станка с небольшим отклонением от вертикали. При этом наряду с улучшением качества поверхности уменьшается дуга контакта фрезы с заготовкой, улучшаются условия резания и охлаждения, уменьшается потребная мощность на фрезерование. Недостатком этого метода является небольшая неплоскостность (вогнутость) обработанной поверхности.

Контроль класса чистоты (шероховатости) полученной поверхности обеспечивается непосредственным измерением неровностей или сравнением с образцами.

Средствами для определения шероховатости поверхности являются образцы (эталоны и образцовые детали) и специальные приборы.

В цеховых условиях применяют эталоны, выпускаемые отечественными заводами для 4, 5, 6 и 7-го классов чистоты (рис. 3). При проверке эталон прикладывают к обработанной поверхности и сравнивают, что дает возможность определить шероховатость поверхности до 7-го класса в пределах ошибки на один класс.

Рис. 3. Эталоны класса чистоты поверхности при фрезеровании

Применение лупы с пятидесятикратным увеличением дает возможность сравнения шероховатости поверхностей примерно до 8-9-го классов чистоты с той же погрешностью в пределах одного класса. Полные наборы этих эталонов должны быть в центральной измерительной лаборатории завода, технологическом и конструкторском отделах завода. В бюро цехового контроля должны быть только эталоны, характерные для поверхностей деталей, обрабатываемых в цехе; эти эталоны необязательно хранить на рабочем месте. Рекомендуется при обработке партии деталей с заданной шероховатостью поверхности изготовить первую пробную деталь с поверхностью заданного класса и затем изготовлять остальные детали по этому образцу.

Образцовые детали целесообразно применять в тех случаях, когда проверяемые детали имеют сложную форму, которую трудно воспроизвести на эталонах (криволинейные очертания, переходные кривые и т. д.), или когда цех (производственный участок) имеет узкую номенклатуру выпускаемых деталей отечественного назначения.

Для получения надежных данных при контроле методом сравнения с деталями-образцами необходимо по возможности выполнение следующих условий: 1) образцовая деталь должна быть изготовлена из того же материала, что и проверяемая; 2) способы обработки поверхностей образца и детали должны быть одинаковыми, так как поверхности одного и того же класса чистоты, но полученные при различных методах обработки (например, фрезерование и строгание), имеют различный внешний вид.

Контроль методом сравнения с образцами - надежный производственный метод. Ошибки определения этим методом шероховатости для 2-9-го классов чистоты не превышают одного класса.

Для определения численной величины шероховатости поверхности существуют приборы, основанные на методе Ощупывания проверяемой поверхности, и оптические приборы.

Приборы, показывающие непосредственно шероховатость поверхности, называют профилометрами. Приборы, записывающие шероховатость в виде увеличенного в пределах от 500 до 5000 раз профиля проверяемой поверхности (профилограммы), называют профилографами. Профилометры и профилографы применяют для выборочного контроля деталей и лабораторного исследования шероховатости обработанной поверхности.