0 руб
Оформить заказ2. ШЕРОХОВАТОСТЬ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Шероховатость поверхностей деталей машин оказывает существенное влияние на их эксплуатационные свойства и характер процессов, происходящих на поверхностях (например, на трение и износ, контактные деформации, концентрацию напряжений, усталостную и ударную прочности, коррозионную стойкость, герметичность и прочность соединений, магнитные свойства, прочность и качество покрытий).
Требования к шероховатости поверхности регламентированы ГОСТ 2789–73. Сравнение величин параметров и классов шероховатости цессе обработки резанием формирование микропрофиля обработанно2. ШЕРОХОВАТОСТЬ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Шероховатость поверхностей деталей машин оказывает существенное влияние на их эксплуатационные свойства и характер процессов, происходящих на поверхностях (например, на трение и износ, контактные деформации, концентрацию напряжений, усталостную и ударную прочности, коррозионную стойкость, герметичность и прочность соединений, магнитные свойства, прочность и качество покрытий).
Требования к шероховатости поверхности регламентированы ГОСТ 2789–73. Сравнение величин параметров и классов шероховатости приведено в табл. V.2.
В процессе обработки резанием формирование микропрофиля обработанной поверхности происходит под влиянием следующих основных факторов: геометрических (главный угол в плане φ, вспомогательный угол в плане φ1, радиус при вершине r, шероховатость формообразующей поверхности режущего инструмента Rи, количество участвующих в работе режущих кромок z); кинематических (подача s, смещение режущих кромок δz, неодинаковость углов в плане на участвующих в работе режущих кромках δφ и δφ1); факторов, влияющих на условия пластического деформирования материала в зоне резания (скорость резания υ, время работы инструмента τ, радиус округления режущей кромки ρ, износ инструмента h, глубина резания t, передний угол γ, задний угол a); свойств обрабатываемого материала М; свойств инструментального материала И; динамического состояния Д системы СПИД; свойств и способов подвода СОЖ, а также вторичных — температуры Т и коэффициента трения μ в зоне резания.
V.2. Параметры и классы шероховатости поверхности
(по приложению 1 к ГОСТ 2789–73)
Класс | Ra, мкм | Rz, мкм | Класс | Ra, мкм | Rz, мкм | Класс | Ra, мкм | Rz, мкм |
1 2 3 4 5 | 80 40 20 10 5 | 320 160 80 40 20 | 6 7 8 9 10 | 2,5 1,25 0,63 0,32 0,16 | 10 6,3 3,2 1,6 0,8 | 11 12 13 14 | 0,08 0,04 0,02 0,01 | 0,4 0,2 0,1 0,05 |
Функциональный граф формирования шероховатости обработанной поверхности под действием этих факторов приведен на рис. V.1. Шероховатость поверхности формируется как композиционная, содержащая детерминированную (регулярную, периодическую) основу и налагающуюся на нее случайную компоненту (рис. V.2).
При обработке лезвийным инструментом, как правило, возникает лишь одна периодическая компонента, частотные характеристики которой определяются кинематическими факторами, прежде всего подачей, а амплитудные — геометрическими. При точении, растачивании и строгании период регулярной компоненты равен подаче s, при цилиндрическом и торцевом фрезеровании — подаче на зуб sz. Различные схемы и формулы для определения амплитуды компоненты приведены в табл. V.3 [41].
V.3. Формулы для определения высоты неровности расчетного профиля
Вид обработки | Условия обработки | Расчетная схема | Расчетная формула |
Строгание, точение, растачивание, торцовое фрезерование |
|
|
]. |
|
| ||
|
| ||
|
| ||
|
|
Продолжение табл. V.3
При абразивной обработке шероховатость поверхности образуется как сумма следов зерен, расположенных на рабочей поверхности круга и проходящих через зону резания. В каждом сечении круга абразивные зерна составляют элементарный профиль, отличный от профилей в других сечениях (рис. V.3) [65]. В результате последовательного наложения элементарных профилей образуется эффективный профиль шлифовального круга, огибающий сумму наложенных элементарных. Профиль шлифованной поверхности при этом является отображением эффективного профиля (рис. V.4) [61].
Число элементарных профилей, образующих эффективный профиль, может быть рассчитано по формуле Филимонова Л. Н.
(V.1)
где — количество элементарных режущих профилей, расположенных на единице длины рабочей поверхности круга; — скорость вращения детали, м/мин; — скорость вращения круга, м/с; — радиус круга, мм; — радиус детали, мм; H — ширина круга, мм; s — продольная подача, мм/мин; v — показатель степени, учитывающий износ круга (для кругов средних зернистостей ).
Важнейшей характеристикой при анализе реального микропрофиля поверхности является уровень случайной компоненты [65].
, (V.2)
где — среднее квадратическое отклонение профиля, измеряемое на профилограмме поверхности; — среднее квадратическое отклонение случайной компоненты.
В свою очередь, для приближенно синусоидальной формы микронеровностей, свойственной, например, поверхности после обработки лезвийным инструментом, . В этом случае . Значения уровня для различных условий приведены ниже:
Вид обработки Уровень Вид обработки Уровень
Строгание Развертывание… 0,63–086
черновое………. 0,15–0,3 Шлифование
получистовое…. 0,3–0,58 черновое……….. 0,6–0,7
чистовое………. 0,58–0,8 получистовое….. 0,7–0,8
Фрезерование чистовое……….. 0,8–0,92
цилиндрическое Полирование
черновое………. 0,15–0,35 черновое………… 0,78–0,82
получистовое…. 0,35–0,75 получистовое…… 0,82–0,90
Фрезерование чистовое………… 0,90–0,95
торцовое Гладкое обкатывание 0,36–0,70
черновое………. 0,2–0,31 Вибрационное
получистовое…. 0,31–0,66 обкатывание……. 0,15–0,35
чистовое………. 0,66–0,78 Электроискровая
Точение обработка………... 0,85–0,97
черновое………. 0,15–0,31 Доводка
получистовое…. 0,31–062 черновая………….. 0,75–0,84
чистовое………. 0,62–0,72 получистовая……. 0,84–0,92
Зенкерование…. 0,45–0,75 чистовая…………. 0,92–0,97
Сверление…….. 0,50–0,80 Хонингование
Протягивание получистовое…….. 0,76–0,83
черновое………. 0,66–0,75 чистовое…………… 0,83–0,96
чистовое………. 0,75–0,92
При лезвийной обработке отклонение реального микропрофиля от расчетного детерминированного происходит в результате вторичных пластических деформаций в зоне контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, упругого восстановления поверхностного слоя и появления вибраций при резании.
Вторичные пластические деформации происходят в зоне контакта главной и вспомогательной задних поверхностей инструмента или нароста с обрабатываемым материалом. В результате на обработанной поверхности наблюдаются задиры, вырывы, происходит деформация остаточных гребешков. Задиры появляются в местах повышенных коэффициентов трения и контактных нагрузок на задней поверхности. Периодические повторяющиеся вырывы на обработанной поверхности наблюдаются в местах отрыва поверхностного жидко-текучего слоя от кристаллической основы при течении обрабатываемого материала относительно инструмента.
Нерегулярные вырывы неповторяющейся формы вызваны, как правило, образованием нароста. Деформация остаточных гребешков особенно существенна при малых значениях подач, вызывающих увеличение не только высоты микронеровностей, но и уровня случайной составляющей в результате неравномерного распределения деформаций по длине гребешка.
Отклонение реальной шероховатости от расчетной в значительной степени зависит от динамической жесткости системы СПИД.
В ряде случаев вероятность расхождения реальной шероховатости и расчетной детерминированной компоненты целесообразно определять с помощью критерия K. Для этого на профилограмму поверхности наносятся амплитудные уровни регулярной составляющей x и y (рис. V.5). Величина K определяется по формуле:
Вероятности нахождения шероховатости соответственно в областях A, B или C
где — переходные вероятности. Здесь Nx и Ny — количество пересечений профилограммы соответственно с уровнями x и y, причем знак «+» соответствует пересечению уровня с положительной производной (снизу вверх), знак «–» — с отрицательной производной (сверху вниз); , , — количество шагов квантования профилограммы, соответствующих нахождению ее в области A, B или С; и измеряются на уровнях соответственно x и y; находится из соотношения ; — общее количество шагов квантования по всей длине профилограммы; в пределах одного шага профилограмма не должна пересекать уровни x и y больше одного раза.
Критерий K изменяется от 0, когда реальная шероховатость полностью находится в пределах расчетной детерминированной, до 1, когда реальная шероховатость полностью выходит за эти пределы.
В качестве базового может быть выбран не только расчетный детерминированный профиль. Например, можно анализировать реальный профиль шлифованной детали, приняв за исходный эффективный профиль шлифовального круга. В этом случае уровни x и y являются границами исходного профиля.
Из технологических факторов наибольшее влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывает подача (толщина среза). Характерная зависимость показателя Ra от подачи приведена на рис. V6. С увеличением s зависимость шероховатости от подачи приближается к виду , т. е. к расчетной детерминированной составляющей. С уменьшением подачи эта зависимость нарушается в результате увеличения доли случайной составляющей и возрастания влияния вторичных пластических деформаций. При s < 0,05…0,02 мм/об (рис. V.7), особенно при обработке вязких материалов, шероховатость практически не зависит от s и даже может увеличиваться при дальнейшем ее уменьшении. Объясняется это тем, что при таких малых подачах величина остаточных гребешков становится сопоставимой и даже меньше неровностей, вызываемых вторичными пластическими деформациями.
Изменение шероховатости в зависимости от скорости обусловлено температурой и условиями трения в зоне резания. При малых скоростях резания сравнительно низкая пластичность материала способствует увеличению случайной составляющей шероховатости, особенно при скоростях резания, соответствующих интенсивному наростообразованию. Дальнейшее увеличение υ вызывает плавное уменьшение шероховатости за счет увеличения пластичности обрабатываемого материала и уменьшения коэффициентов трения в зоне резания. При достаточно больших скоростях резания доля случайной составляющей может уменьшиться настолько, что реальная шероховатость практически сравняется с расчетной детерминированной. Характерная зависимость влияния скорости на показатель Rz показана на рис. V.8.
Глубина резания (ширина срезаемого слоя) практически не влияет на шероховатость обработанной поверхности. Из геометрических параметров режущего инструмента наибольшее влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывают углы в плане и , а также радиус при вершине резца r. Их воздействие на формирование поверхностного слоя в основном геометрическое и практически соответствует расчетным зависимостям, приведенным в табл. V.3.
Во всех случаях уменьшению шероховатости способствует создание на режущих кромках фасок с углом в плане длиною l > 1,5 sz.
Увеличение переднего и уменьшение заднего углов инструмента способствует некоторому (до 15 %) уменьшению шероховатости обработанной детали [66], однако в реальных пределах их изменения этим влиянием можно пренебречь; выбирать значение этих углов следует с учетом сил резания, стойкости инструментов.
Влияние инструментального материала на шероховатость обработанной поверхности обусловлено трением на рабочих поверхностях инструмента и износом. Изменение марки инструментального материала в пределах одной группы (быстрорежущие стали, твердые сплавы – вольфрамовые, титано-вольфрамовые) почти не влияет на шероховатость обработанной поверхности, так как условия трения в зоне резания для всех материалов одной группы практически одинаковы. При использовании твердых сплавов шероховатость несколько уменьшается с уменьшением содержания кобальта; применение титано-вольфрамовых твердых сплавов способствует некоторому уменьшению шероховатости по сравнению с вольфрамовыми.
Применение инструментов из синтетических или натуральных минералов способствует резкому снижению шероховатости обработанной поверхности за счет уменьшения сил трения на контактных поверхностях инструмента и, как результат, уменьшения уровня случайной составляющей. Использование в качестве инструментального материала алмаза, имеющего наименьший коэффициент трения в паре с металлами, способствует резкому уменьшению Ra и приближению реальной шероховатости к расчетной детерминанте (рис. V.9).
По мере изнашивания инструмента шероховатость обработанной поверхности возрастает и к концу периода стойкости увеличивается при точении на 57 %, цилиндрическом фрезеровании — 115, торцевом фрезеровании — 45, сверлении — 30, развертывании — на 20 %.
Шероховатость поверхности в значительной степени зависит также от свойств обрабатываемого материала, его химического состава и состояния (табл. V.4).
Применение СОЖ способствует уменьшению шероховатости за счет уменьшения силе трения на границе контакта обрабатываемого материала с инструментом (рис. V.10). Степень влияния СОЖ на шероховатость уменьшается с увеличением скорости резания и после υ = 1…2 м/с становится равной нулю. Это явление можно объяснить тем, что при больших скоростях обработки СОЖ не попадает в зону резания и выполняет лишь охлаждающие функции.
При абразивной обработке факторами, оказывающими наибольшее влияние на шероховатость обработанной поверхности, являются скорость шлифовального круга, скорость детали, зернистость абразива, качество правки круга.
Характерная зависимость параметра Ra от скорости резания при шлифовании приведена на рис. V.11. С увеличением скорости вращения детали при круглом и внутреннем шлифовании шероховатость обработанной поверхности увеличивается в результате уменьшения количества элементарных профилей, пересекающих заданное сечение детали. Мелкозернистые круги при прочих равных условиях всегда обеспечивают меньшую высоту микронеровностей [24]. В пределах используемых для шлифовальных кругов зернистостей абразивных материалов величина Ra может изменяться в два раза.
IV.4. Влияние особенностей структуры сталей на различные показатели
обрабатываемости
Показатели обрабатываемости | Особенности структуры стали | |||||||
Цементит в виде зерен (зернистый перлит) | Цементит в виде пластинок (пластинчатый перлит) | Много феррита в виде крупных зерен или ферритная строчечность | Очень мелкое зерно перлита при относительно большом количестве феррита | Сорбитообразный перлит (очень тонкие пластинки цементита) | Карбиды легирующих элементов в виде сетки или скоплений | Сорбит с невысокой твердостью | Сорбит с высокой твердостью | |
Качество поверхности при работе с низкими скоростями резания (для отделочных инструментов из быстрорежущей стали)
Качество поверхности при работе с относительно высокими скоростями резания (более 70 м/мин)
Величина сил резания и склонность к вибрациям
Налипание обрабатываемого металла на задние поверхности |
Плохое
Очень Хорошее
Большая
То же |
Хорошее
Удовле-твори-тельное
Относи-тельно неболь- шая
Незна-читель-ное |
Плохое
Удовле-твори-тельное
Относи-тельно неболь- шая
Большое |
Плохое
Удовле-твори тельное
Повы-шенная
Большое |
Хорошее
»
Относи-тельно неболь- шая
Очень незначи- тельное |
Удовле-твори-тельное
То же
Относи-тельно неболь- шая
Очень незначи- тельное |
Плохое
Очень хорошее
Боль-шая
Значи-тельное |
Очень Хорошее
То же
Боль-шая
Нет |
При правке круга на его поверхности создаются винтовые неровности — следы правящего инструмента, — которые могут влиять на шероховатость обработанной поверхности в большей степени, чем зернистость круга. При проведении правки круга с малыми подачами (s < 0,1 мм на один оборот круга) влияние его остаточных неровностей становится малым.
Для расчета шероховатости обработанной поверхности на практике используются эмпирические зависимости. Высоту микронеровностей при точении сталей можно определить из обобщенного уравнения [7]
(V.3)
где
Формула (V.3) действительна при м/мин. При достаточно точные результаты можно получить по формулам, приведенным в табл. V.3, так как при таких скоростях резания доля случайной составляющей будет незначительна (при условии достаточной жесткости системы СПИД и отсутствии вибрации).
При абразивной обработке шероховатость поверхности рассчитывается по формуле
(V.4)
где — коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала; — скорость вращения детали; — скорость вращения круга; d — диаметр круга; H — ширина круга; p, z, q, ω, μ, h — показатели степени; K1, K2, K3 — коэффициенты, учитывающие изменение условий резания. Применительно к шлифованию закаленной стали 50Г формула (V.4) привет вид
Следует отметить, что расчеты по формулам (V.3) и (V.4) дают весьма ориентировочные результаты, так как реальная шероховатость детали в зависимости от состояния обрабатываемого материала, состояния и качества оборудования, а также других факторов может колебаться в широких пределах.
Ориентировочные значения параметра шероховатости Ra в зависимости от вида обработки приведены ниже:
Вид обработки Ra, мкм Вид обработки Ra, мкм
Опиливание финишное……… 1,6–0,2
черновое………. 125–12,5 алмазное……….. 0,2–0,032
чистовое………. 12,5–1,6 Зенкерование….. 100–6
финишное..……. 2,5–0,63 Сверление…..….. 100–6
Строгание Растачивание.…..
черновое………. 125–25 черновое………... 125–9
чистовое………. 25–3,2 чистовое………… 9–2,5
финишное….…. 3,2–0,63 финишное…..…… 2,5–0,6
Фрезерование алмазное.………… 0,6–0,1
черновое…….... 100–18 Протягивание……
чистовое………. 18–3,2 черновое…………. 4,8–1,2
финишное….…. 3,2–0,4 чистовое…….……. 1,2–0,2
Точение Развертывание.…...
черновое………. 125–6,3 предварительное… 9–1,2
чистовое………. 6,3–1,6 окончательное..….. 1,2–0,1
Шлифование Зубофрезерование
черновое………. 6,3–1,2 обкаткой
чистовое……….. 1,2–0,4 черновое………… 100–9
финишное……… 0,4–0,075 чистовое…………. 9–0,8
Шабрение Зубодолбление
черновое.………. 6,3–0,8 копированием
чистовое……….. 0,8–0,2 черновое…………. 50–9
финишное……… 0,2–0,05 чистовое…………. 9–1,2
Полирование Зубодолбление
черновое………. 1,6–0,4 обкаткой
чистовое………. 0,4–0,1 черновое…………. 50–6,3
отделочное……. 0,1–0,05 чистовое…………. 6,3–1,2
Притирка Зубошенингование… 2,5–0,25
черновая……… 0,8–0,2 Зубошлифование
чистовая……… 0,2–0,05 копированием
финишная……. 0,05–0,01 чистовое…………. 4,5–0,8
Хонингование финишное……….. 0,8–0,2
чистовое……… 0,8–0,1 Зубошлифование
финишное……. 0,1–0,025 обкаткой
Суперфиниширование чистовое………… 1,6–0,2
чистовое…….. 0,8–0,1 финишное………. 0,2–0,075
финишное….. 0,1–0,025 Зубопритирка…….. 0,15–0,05
Зубофрезерование
Копированием
черновое……… 100–12,5
чистовое……… 12,5–1,6й поверхности происходит под влиянием следующих основных факторов: геометрических (главный угол в плане φ, вспомогательный угол в плане φ1, радиус при вершине r, шероховатость формообразующей поверхности режущего инструмента Rи, количество участвующих в работе режущих кромок z); кинематических (подача s, смещение режущих кромок δz, неодинаковость углов в плане на участвующих в работе режущих кромках δφ и δφ1); факторов, влияющих на условия пластического деформирования материала в зоне резания (скорость резания υ, время работы инструмента τ, радиус округления режущей кромки ρ, износ инструмента h, глубина резания t, передний угол γ, задний угол a); свойств обрабатываемого материала М; свойств инструментального материала И; динамического состояния Д системы СПИД; свойств и способов подвода СОЖ, а также вторичных — температуры Т и коэффициента трения μ в зоне резания.
V.2. Параметры и классы шероховатости поверхности
(по приложению 1 к ГОСТ 2789–73)
Класс | Ra, мкм | Rz, мкм | Класс | Ra, мкм | Rz, мкм | Класс | Ra, мкм | Rz, мкм |
1 2 3 4 5 | 80 40 20 10 5 | 320 160 80 40 20 | 6 7 8 9 10 | 2,5 1,25 0,63 0,32 0,16 | 10 6,3 3,2 1,6 0,8 | 11 12 13 14 | 0,08 0,04 0,02 0,01 | 0,4 0,2 0,1 0,05 |
Функциональный граф формирования шероховатости обработанной поверхности под действием этих факторов приведен на рис. V.1. Шероховатость поверхности формируется как композиционная, содержащая детерминированную (регулярную, периодическую) основу и налагающуюся на нее случайную компоненту (рис. V.2).
При обработке лезвийным инструментом, как правило, возникает лишь одна периодическая компонента, частотные характеристики которой определяются кинематическими факторами, прежде всего подачей, а амплитудные — геометрическими. При точении, растачивании и строгании период регулярной компоненты равен подаче s, при цилиндрическом и торцевом фрезеровании — подаче на зуб sz. Различные схемы и формулы для определения амплитуды компоненты приведены в табл. V.3 [41].
V.3. Формулы для определения высоты неровности расчетного профиля
Вид обработки | Условия обработки | Расчетная схема | Расчетная формула |
Строгание, точение, растачивание, торцовое фрезерование |
|
|
]. |
|
| ||
|
| ||
|
| ||
|
|
Продолжение табл. V.3
Вид обработки | Условия обработки | Расчетная схема | Расчетная формула |
Цилиндрическое фрезерование |
Встречное
|
| |
Попутное |
|
При абразивной обработке шероховатость поверхности образуется как сумма следов зерен, расположенных на рабочей поверхности круга и проходящих через зону резания. В каждом сечении круга абразивные зерна составляют элементарный профиль, отличный от профилей в других сечениях (рис. V.3) [65]. В результате последовательного наложения элементарных профилей образуется эффективный профиль шлифовального круга, огибающий сумму наложенных элементарных. Профиль шлифованной поверхности при этом является отображением эффективного профиля (рис. V.4) [61].
Число элементарных профилей, образующих эффективный профиль, может быть рассчитано по формуле Филимонова Л. Н.
(V.1)
где — количество элементарных режущих профилей, расположенных на единице длины рабочей поверхности круга; — скорость вращения детали, м/мин; — скорость вращения круга, м/с; — радиус круга, мм; — радиус детали, мм; H — ширина круга, мм; s — продольная подача, мм/мин; v — показатель степени, учитывающий износ круга (для кругов средних зернистостей ).
Важнейшей характеристикой при анализе реального микропрофиля поверхности является уровень случайной компоненты [65].
, (V.2)
где — среднее квадратическое отклонение профиля, измеряемое на профилограмме поверхности; — среднее квадратическое отклонение случайной компоненты.
В свою очередь, для приближенно синусоидальной формы микронеровностей, свойственной, например, поверхности после обработки лезвийным инструментом, . В этом случае . Значения уровня для различных условий приведены ниже:
Вид обработки Уровень Вид обработки Уровень
Строгание Развертывание… 0,63–086
черновое………. 0,15–0,3 Шлифование
получистовое…. 0,3–0,58 черновое……….. 0,6–0,7
чистовое………. 0,58–0,8 получистовое….. 0,7–0,8
Фрезерование чистовое……….. 0,8–0,92
цилиндрическое Полирование
черновое………. 0,15–0,35 черновое………… 0,78–0,82
получистовое…. 0,35–0,75 получистовое…… 0,82–0,90
Фрезерование чистовое………… 0,90–0,95
торцовое Гладкое обкатывание 0,36–0,70
черновое………. 0,2–0,31 Вибрационное
получистовое…. 0,31–0,66 обкатывание……. 0,15–0,35
чистовое………. 0,66–0,78 Электроискровая
Точение обработка………... 0,85–0,97
черновое………. 0,15–0,31 Доводка
получистовое…. 0,31–062 черновая………….. 0,75–0,84
чистовое………. 0,62–0,72 получистовая……. 0,84–0,92
Зенкерование…. 0,45–0,75 чистовая…………. 0,92–0,97
Сверление…….. 0,50–0,80 Хонингование
Протягивание получистовое…….. 0,76–0,83
черновое………. 0,66–0,75 чистовое…………… 0,83–0,96
чистовое………. 0,75–0,92
При лезвийной обработке отклонение реального микропрофиля от расчетного детерминированного происходит в результате вторичных пластических деформаций в зоне контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, упругого восстановления поверхностного слоя и появления вибраций при резании.
Вторичные пластические деформации происходят в зоне контакта главной и вспомогательной задних поверхностей инструмента или нароста с обрабатываемым материалом. В результате на обработанной поверхности наблюдаются задиры, вырывы, происходит деформация остаточных гребешков. Задиры появляются в местах повышенных коэффициентов трения и контактных нагрузок на задней поверхности. Периодические повторяющиеся вырывы на обработанной поверхности наблюдаются в местах отрыва поверхностного жидко-текучего слоя от кристаллической основы при течении обрабатываемого материала относительно инструмента. Нерегулярные вырывы неповторяющейся формы вызваны, как правило, образованием нароста. Деформация остаточных гребешков особенно существенна при малых значениях подач, вызывающих увеличение не только высоты микронеровностей, но и уровня случайной составляющей в результате неравномерного распределения деформаций по длине гребешка.
Отклонение реальной шероховатости от расчетной в значительной степени зависит от динамической жесткости системы СПИД.
В ряде случаев вероятность расхождения реальной шероховатости и расчетной детерминированной компоненты целесообразно определять с помощью критерия K. Для этого на профилограмму поверхности наносятся амплитудные уровни регулярной составляющей x и y (рис. V.5). Величина K определяется по формуле:
Вероятности нахождения шероховатости соответственно в областях A, B или C
где — переходные вероятности. Здесь Nx и Ny — количество пересечений профилограммы соответственно с уровнями x и y, причем знак «+» соответствует пересечению уровня с положительной производной (снизу вверх), знак «–» — с отрицательной производной (сверху вниз); , , — количество шагов квантования профилограммы, соответствующих нахождению ее в области A, B или С; и измеряются на уровнях соответственно x и y; находится из соотношения ; — общее количество шагов квантования по всей длине профилограммы; в пределах одного шага профилограмма не должна пересекать уровни x и y больше одного раза.
Критерий K изменяется от 0, когда реальная шероховатость полностью находится в пределах расчетной детерминированной, до 1, когда реальная шероховатость полностью выходит за эти пределы.
В качестве базового может быть выбран не только расчетный детерминированный профиль. Например, можно анализировать реальный профиль шлифованной детали, приняв за исходный эффективный профиль шлифовального круга. В этом случае уровни x и y являются границами исходного профиля.
Из технологических факторов наибольшее влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывает подача (толщина среза). Характерная зависимость показателя Ra от подачи приведена на рис. V6. С увеличением s зависимость шероховатости от подачи приближается к виду , т. е. к расчетной детерминированной составляющей. С уменьшением подачи эта зависимость нарушается в результате увеличения доли случайной составляющей и возрастания влияния вторичных пластических деформаций. При s < 0,05…0,02 мм/об (рис. V.7), особенно при обработке вязких материалов, шероховатость практически не зависит от s и даже может увеличиваться при дальнейшем ее уменьшении. Объясняется это тем, что при таких малых подачах величина остаточных гребешков становится сопоставимой и даже меньше неровностей, вызываемых вторичными пластическими деформациями.
Изменение шероховатости в зависимости от скорости обусловлено температурой и условиями трения в зоне резания. При малых скоростях резания сравнительно низкая пластичность материала способствует увеличению случайной составляющей шероховатости, особенно при скоростях резания, соответствующих интенсивному наростообразованию. Дальнейшее увеличение υ вызывает плавное уменьшение шероховатости за счет увеличения пластичности обрабатываемого материала и уменьшения коэффициентов трения в зоне резания. При достаточно больших скоростях резания доля случайной составляющей может уменьшиться настолько, что реальная шероховатость практически сравняется с расчетной детерминированной. Характерная зависимость влияния скорости на показатель Rz показана на рис. V.8.
Глубина резания (ширина срезаемого слоя) практически не влияет на шероховатость обработанной поверхности. Из геометрических параметров режущего инструмента наибольшее влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывают углы в плане и , а также радиус при вершине резца r. Их воздействие на формирование поверхностного слоя в основном геометрическое и практически соответствует расчетным зависимостям, приведенным в табл. V.3.
Во всех случаях уменьшению шероховатости способствует создание на режущих кромках фасок с углом в плане длиною l > 1,5 sz.
Увеличение переднего и уменьшение заднего углов инструмента способствует некоторому (до 15 %) уменьшению шероховатости обработанной детали [66], однако в реальных пределах их изменения этим влиянием можно пренебречь; выбирать значение этих углов следует с учетом сил резания, стойкости инструментов.
Влияние инструментального материала на шероховатость обработанной поверхности обусловлено трением на рабочих поверхностях инструмента и износом. Изменение марки инструментального материала в пределах одной группы (быстрорежущие стали, твердые сплавы – вольфрамовые, титано-вольфрамовые) почти не влияет на шероховатость обработанной поверхности, так как условия трения в зоне резания для всех материалов одной группы практически одинаковы. При использовании твердых сплавов шероховатость несколько уменьшается с уменьшением содержания кобальта; применение титано-вольфрамовых твердых сплавов способствует некоторому уменьшению шероховатости по сравнению с вольфрамовыми.
Применение инструментов из синтетических или натуральных минералов способствует резкому снижению шероховатости обработанной поверхности за счет уменьшения сил трения на контактных поверхностях инструмента и, как результат, уменьшения уровня случайной составляющей. Использование в качестве инструментального материала алмаза, имеющего наименьший коэффициент трения в паре с металлами, способствует резкому уменьшению Ra и приближению реальной шероховатости к расчетной детерминанте (рис. V.9).
По мере изнашивания инструмента шероховатость обработанной поверхности возрастает и к концу периода стойкости увеличивается при точении на 57 %, цилиндрическом фрезеровании — 115, торцевом фрезеровании — 45, сверлении — 30, развертывании — на 20 %.
Шероховатость поверхности в значительной степени зависит также от свойств обрабатываемого материала, его химического состава и состояния (табл. V.4).
Применение СОЖ способствует уменьшению шероховатости за счет уменьшения силе трения на границе контакта обрабатываемого материала с инструментом (рис. V.10). Степень влияния СОЖ на шероховатость уменьшается с увеличением скорости резания и после υ = 1…2 м/с становится равной нулю. Это явление можно объяснить тем, что при больших скоростях обработки СОЖ не попадает в зону резания и выполняет лишь охлаждающие функции.
При абразивной обработке факторами, оказывающими наибольшее влияние на шероховатость обработанной поверхности, являются скорость шлифовального круга, скорость детали, зернистость абразива, качество правки круга. Характерная зависимость
параметра Ra от скорости резания при шлифовании приведена на рис. V.11. С увеличением скорости вращения детали при круглом и внутреннем шлифовании шероховатость обработанной поверхности увеличивается в результате уменьшения количества элементарных профилей, пересекающих заданное сечение детали. Мелкозернистые круги при прочих равных условиях всегда обеспечивают меньшую высоту микронеровностей [24]. В пределах используемых для шлифовальных кругов зернистостей абразивных материалов величина Ra может изменяться в два раза.
IV.4. Влияние особенностей структуры сталей на различные показатели
обрабатываемости
Показатели обрабатываемости | Особенности структуры стали | |||||||
Цементит в виде зерен (зернистый перлит) | Цементит в виде пластинок (пластинчатый перлит) | Много феррита в виде крупных зерен или ферритная строчечность | Очень мелкое зерно перлита при относительно большом количестве феррита | Сорбитообразный перлит (очень тонкие пластинки цементита) | Карбиды легирующих элементов в виде сетки или скоплений | Сорбит с невысокой твердостью | Сорбит с высокой твердостью | |
Качество поверхности при работе с низкими скоростями резания (для отделочных инструментов из быстрорежущей стали)
Качество поверхности при работе с относительно высокими скоростями резания (более 70 м/мин)
Величина сил резания и склонность к вибрациям
Налипание обрабатываемого металла на задние поверхности |
Плохое
Очень Хорошее
Большая
То же |
Хорошее
Удовле-твори-тельное
Относи-тельно неболь- шая
Незна-читель-ное |
Плохое
Удовле-твори-тельное
Относи-тельно неболь- шая
Большое |
Плохое
Удовле-твори тельное
Повы-шенная
Большое |
Хорошее
»
Относи-тельно неболь- шая
Очень незначи- тельное |
Удовле-твори-тельное
То же
Относи-тельно неболь- шая
Очень незначи- тельное |
Плохое
Очень хорошее
Боль-шая
Значи-тельное |
Очень Хорошее
То же
Боль-шая
Нет |
При правке круга на его поверхности создаются винтовые неровности — следы правящего инструмента, — которые могут влиять на шероховатость обработанной поверхности в большей степени, чем зернистость круга. При проведении правки круга с малыми подачами (s < 0,1 мм на один оборот круга) влияние его остаточных неровностей становится малым.
Для расчета шероховатости обработанной поверхности на практике используются эмпирические зависимости. Высоту микронеровностей при точении сталей можно определить из обобщенного уравнения [7]
(V.3)
где
Формула (V.3) действительна при м/мин. При достаточно точные результаты можно получить по формулам, приведенным в табл. V.3, так как при таких скоростях резания доля случайной составляющей будет незначительна (при условии достаточной жесткости системы СПИД и отсутствии вибрации).
При абразивной обработке шероховатость поверхности рассчитывается по формуле
(V.4)
где — коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала; — скорость вращения детали; — скорость вращения круга; d — диаметр круга; H — ширина круга; p, z, q, ω, μ, h — показатели степени; K1, K2, K3 — коэффициенты, учитывающие изменение условий резания. Применительно к шлифованию закаленной стали 50Г формула (V.4) привет вид
Следует отметить, что расчеты по формулам (V.3) и (V.4) дают весьма ориентировочные результаты, так как реальная шероховатость детали в зависимости от состояния обрабатываемого материала, состояния и качества оборудования, а также других факторов может колебаться в широких пределах.
Ориентировочные значения параметра шероховатости Ra в зависимости от вида обработки приведены ниже:
Вид обработки Ra, мкм Вид обработки Ra, мкм
Опиливание финишное……… 1,6–0,2
черновое………. 125–12,5 алмазное……….. 0,2–0,032
чистовое………. 12,5–1,6 Зенкерование….. 100–6
финишное..……. 2,5–0,63 Сверление…..….. 100–6
Строгание Растачивание.…..
черновое………. 125–25 черновое………... 125–9
чистовое………. 25–3,2 чистовое………… 9–2,5
финишное….…. 3,2–0,63 финишное…..…… 2,5–0,6
Фрезерование алмазное.………… 0,6–0,1
черновое…….... 100–18 Протягивание……
чистовое………. 18–3,2 черновое…………. 4,8–1,2
финишное….…. 3,2–0,4 чистовое…….……. 1,2–0,2
Точение Развертывание.…...
черновое………. 125–6,3 предварительное… 9–1,2
чистовое………. 6,3–1,6 окончательное..….. 1,2–0,1
Шлифование Зубофрезерование
черновое………. 6,3–1,2 обкаткой
чистовое……….. 1,2–0,4 черновое………… 100–9
финишное……… 0,4–0,075 чистовое…………. 9–0,8
Шабрение Зубодолбление
черновое.………. 6,3–0,8 копированием
чистовое……….. 0,8–0,2 черновое…………. 50–9
финишное……… 0,2–0,05 чистовое…………. 9–1,2
Полирование Зубодолбление
черновое………. 1,6–0,4 обкаткой
чистовое………. 0,4–0,1 черновое…………. 50–6,3
отделочное……. 0,1–0,05 чистовое…………. 6,3–1,2
Притирка Зубошенингование… 2,5–0,25
черновая……… 0,8–0,2 Зубошлифование
чистовая……… 0,2–0,05 копированием
финишная……. 0,05–0,01 чистовое…………. 4,5–0,8
Хонингование финишное……….. 0,8–0,2
чистовое……… 0,8–0,1 Зубошлифование
финишное……. 0,1–0,025 обкаткой
Суперфиниширование чистовое………… 1,6–0,2
чистовое…….. 0,8–0,1 финишное………. 0,2–0,075
финишное….. 0,1–0,025 Зубопритирка…….. 0,15–0,05
Зубофрезерование
Копированием
черновое……… 100–12,5
чистовое……… 12,5–1,6