Виды осмотров.Под шероховатостью поверхности, получающейся в результате обработки, понимается совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности и рассматриваемых в пределах участка, длина которого выбирается в зависимости от характера поверхности и равна базовой длине.

Базовой линией является так называемая средняя линия профилей, проведенная таким образом, что в пределах базовой длины s сумма квадратов расстояний точек измеряемого профиля до этой линии минимальна . Базовая длина s — длина линии, в пределах которой производится оценка параметров шероховатости (s = 0,01 до 25 мм). rz — среднее арифметическое отклонение профиля равно среднему арифметическому из абсолютных значений отклонений профиля h от средней линии в пределах базовой длины.

Rz —высота неровностей по десяти точкам — это среднее расстояние между пятью высшими и пятью низшими точками измеряемого профиля в пределах базовой длины.

Наибольшая высота неровностей — RD

Средний шаг неровностей sm — среднее значение шага неровностей в пределах базовой длины: где п — число шагов в пределах базовой длины.

Средний шаг неровностей по вершинам s — это среднее значение шага неровностей по вершинам в пределах базовой длины.

Опорная длина профиля -г\ — сумма длин отрезков, отсекаемых на выступах измеряемого профиля линией, эквидистантной средней линии, в пределах базовой длины s.

При измерении шероховатости различные дефекты поверхности (царапины, раковины и т. п.) не учитываются.

Для обозначения всех классов шероховатости поверхности согласно ГОСТ 2.309—68 был установлен один знак — равносторонний треугольник ; рядом с ним указывается номер класса или номер класса и разряд.

По ГОСТ 2.309—73 значения параметров (ГОСТ 2.789—73), нормирующих требования к шероховатости поверхности, указывают на чертежах с одним из условных графических знаков, обозначающих: Шероховатости поверхности после удаления с нее материала (точением, фрезерованием, шлифованием, полированием, травлением и т. п.).

Шероховатость поверхности, образованной литьем, ковкой, прессованием, волочением и т. п.

Метод образования поверхности не устанавливается. То же, при указании базовой длины (под горизонтальной прямой).

Реальная поверхность обладает неровностями, размеры и форма которых зависят от материала изделия и его обработки. В широком смысле, совокупность этих неровностей и называются шероховатостью. В узком смысле шероховатость – это совокупность неровностей, выделенная на небольших участках поверхности, на «базовой» длине, со своей средней линией на каждом из участков. Параметры шероховатости усредняются затем по всем выбранным участкам, по всей поверхности. Неровности бóльших чем базовая длина латеральных масштабов при этом называют волнистостью или кривизной поверхности.

Основным объектом для измерения шероховатости, на который рассчитаны приборы и действующие ГОСТы, является поверхность металлических изделий. В области полупроводниковых технологий шероховатость тоже важна. Качество эпитаксиальных структур сильно зависит от шероховатости подложки, а по шероховатости поверхности готовой структуры можно судить о ее совершенстве. Поэтому исследование шероховатости поверхности подложек и готовых изделий является одной из стандартных процедур технологического процесса.

Определения для большого набора величин, характеризующих шероховатость, задаются действующими в стране ГОСТами. Поверхности большинства изделий для наноэлектроники имеют характерные размеры неровностей порядка нанометров. Существует множество отработанных экспериментальных методик исследования шероховатости таких поверхностей. В ИФМ РАН используются такие экспериментальные методики как оптическая интерференционная микроскопия, атомносиловая микроскопия, методы диффузного рассеяния и зеркального отражения рентгеновского излучения, а также контактная профилометрия. В данной работе будут рассмотрены две экспериментальные методики диагностики шероховатых поверхностей: контактная профилометрия и оптическая интерферометрия белого света. Существуют различные подходы к количественному описанию шероховатостей реальных поверхностей. Один из них – статистическое описание, в соответствии с которым шероховатость характеризуется статистическими величинами, рассчитанными по функции высот или ее профилю. А для анализа особенностей профилей в плоскости поверхности используют стандартные методы обработки случайных сигналов – построение автокорреляционной функции и функции спектральной плотности.

Профилометр модели 130 предназначен для измерений параметров профиля и параметров шероховатости поверхности по системе средней линии (ГОСТ 25142-82), с разделением «волнистости» и «шероховатости» по ГОСТ 2789-73. Прибор внесен в Государственный реестр средств измерения, регистрационный № 33319-06. Профилометр состоит из индуктивного датчика с иглой и опорой на измеряемую поверхность. Датчик закреплен в электромеханическом приводе, с помощью которого он перемещается по горизонтали. В вертикальном направлении, для обеспечения начального контакта датчика с измеряемой деталью, привод с датчиком перемещается по колонне, установленной на плите, на которой базируется измеряемая деталь.

Действие профилометра основано на принципе ощупывания неровностей измеряемой поверхности щупом (алмазной иглой) в процессе перемещения вдоль измеряемой поверхности и последующего преобразования возникающих при этом вертикальных перемещений щупа в цифровой сигнал. Щуп встроен в блок датчика, который при сканировании ползет по поверхности образца своей опорой. Поэтому измерение профиля идет относительно опоры, представляющей собой твердосплавный полированный сегмент диска, неподвижно закрепленный на датчике.

Специальное программное обеспечение позволяет производить расчет параметров шероховатости, задавая требуемые условия измерений, выводить на экран измеренный профиль, выделять на нем отдельные участки и производить для них расчет значений параметров шероховатости, геометрические параметры (линейные размеры, углы наклона), а также производить накопление и сохранение результатов измерений и их статистическую обработку.

Шероховатость поверхности в процессе обработки зависит от следующих факторов: метода обработки, режима обработки, геометрических параметров и качества режущей части инструмента, пластической и упругой деформации материала заготовки или детали, жесткости системы СПИД, смазочно-охлаждающей жидкости и т.д.

Каждый метод обработки позволяет получить поверхность детали с определенным диапазоном величины шероховатости.

Так обдирочное точение – 1…4 класс чистоты; чистовое точение – 4…7 класс, тонкое точение – 7…9 класс.

Грубое шлифование – 6…7 класс, чистовое шлифование – 8…9 класс, тонкое шлифование – 9…11 класс и т.д. В зависимости от класса чистоты, указанной на чертеже для поверхности детали, конструктор и технолог выбирают соответствующий метод ее обработки.

Шероховатость обработанной поверхности – это, прежде всего след рабочего движения режущей кромки инструмента, контактируемой с обрабатываемой поверхностью. Высоту этой шероховатости можно определить расчетным путем, в зависимости от геометрических параметров режущей части инструмента и режима обработки.

Сильное влияние на искажение расчетной высоты неровностей поверхности оказывает пластическая деформация материала заготовки при обработке материалов, которая не даёт наростов на режущем инструменте. Влияние деформации на величину Rz объясняется распространением волны деформации в сторону соседнего слоя, а при обработке материалов, дающих нарост, добавляется еще действие вершины нароста, в результате чего на поверхности детали образуются задиры.

Влияние упругих деформаций материала детали на Rz является следствием наличия на лезвии любого режущего инструмента притупления, что вызывает упругие деформации материала около режущей кромки. Минуя ее, материал заготовки приподнимается и занимает прежнее положение.

Все неровности лезвия режущего инструмента копируются на обрабатываемой поверхности.

Из параметров режима обработки на величину шероховатости наибольшее влияние оказывает скорость резания и подача.

При обработке материалов, не образующих нарост, шероховатость поверхности практически не зависит от скорости резания, а при обработке материалов, образующих нарост, зависит. Так зависимость изменения Rz от скорости резания Vp можно разбить на четыре зоны.

Первая зона соответствует малым скоростям резания (до 1м/мин) и характеризуется тем, что нарост в ней отсутствует, и шероховатость не зависит от Vp

Вторая зона характеризуется увеличением нароста и при Vp = 25…30м/мин нарост наибольший, а поверхность имеет наибольшую шероховатость. С ростом Vp от 30 до 80 м/мин нарост постепенно уменьшается и шероховатость также уменьшается.

При Vp > 80 м/мин нарост вновь исчезает и шероховатость поверхности близка к расчетной.

С увеличением подачи шероховатость при любом способе обработки возрастает, поэтому для снижения значений показателей шероховатости необходимо максимально уменьшить подачу (шаг резания).

Глубина резания незначительно влияет на шероховатость поверхности, однако изменение глубины резания сказывается на упругой и пластической деформации заготовки и инструмента, что отражается на шероховатости поверхности.

Применение смазочно-охлаждающих жидкостей способствует уменьшению параметров шероховатости. При холодной штамповке пуансон и матрицу смазывают, а при обработке резанием применяют водоэмульсионное охлаждение.

Качество поверхности деталей машин оказывает существенное влияние на их эксплуатационные свойства: износостойкость, усталостную прочность, стабильность посадок, коррозионную стойкость и др.

Износостойкость нужна трущимся поверхностям сопряженных деталей подвижных соединений. В начальный период работы трущихся поверхностей, их контакт происходит по вершинам неровностей, поэтому фактическая поверхность соприкосновения (опорная длина профиля р) значительно меньше расчетной, что вызывает в местах фактического контакта по вершинам неровностей большие давления, часто превышающие предел прочности или предел текучести трущихся металлов, что приводит к срезу, смятию или откалыванию вершин неровностей и вызывает интенсивный начальный износ трущихся поверхностей и увеличение зазора в сопряженной паре деталей.

Увеличение RZ. более оптимальной приводит к более интенсивному зацеплению неровностей, их смятию и скалыванию, как было показано выше.

Уменьшение же RZ менее RZ0 ведет к выдавливанию смазки и возникновению сухого трения, что в конечном итоге приводит к сухому трению, возникновению молекулярного сцепления и заедания плотно соприкасающихся поверхностей сопряженных деталей. Поэтому задача конструктора — назначить оптимальную шероховатость поверхностей сопряженных деталей.

На начальный износ сопряженных деталей подвижных соединений влияют также форма и направление неровностей относительно направления скольжения.

Установлено, что тонкие и многочисленные неровности обеспечивают большую износостойкость, чем крупные большого шага при одинаковом значении RZ.

Влияние направления неровностей на износостойкость в разных условиях трения и при разных размерах неровностей различно. При жидкостном трении и малой высоте неровностей направление рисок значения не имеют, а при увеличении шероховатости более выгодным является параллельное направление рисок к скорости движения.

В период начального износа трущихся поверхностей высота неровностей может уменьшаться на б5...75 % от первоначальной. При малых размерах детали c шероховатостью поверхностей RZ =3...10мкм двойная высота неровностей соизмерима с допуском на изготовление детали. Поэтому необходимую высоту шероховатости рекомендуется устанавливать в зависимости от требуемой точности проектируемого сопряжения расчетом по формулам:

при d > 50мм, RZ =(0,1...0,15) Т;

при d = 18... 50 мм, RZ =(0,15...0,2) Т;

при d < 18 мм RZ = (0,2...0,25) Т.

Шероховатость поверхности существенно влияет на стабильность неподвижных посадок. С увеличением RZ прочность прессовых посадок снижается, т.к. после смятия вершин неровностей коэффициент опорной поверхности tp очень мал и при работе узла такое соединение не выдерживает эксплуатационных нагрузок. Поэтому при сборке прессовых посадок в холодном состоянии стремятся шероховатость сопряженных поверхностей получить минимальную, что повышает опорную поверхность и прочность соединения. При получении горячепрессовых посадок (нагрев втулки или охлаждение вала) микро неровности в определенных пределах способствуют повышению прочности соединений.

От шероховатости поверхности сильно зависит усталостная прочность деталей

Наличие на поверхности деталей, работающих при циклических и знакопеременных нагрузках, неровностей и дефектов способствует концентрации напряжений, которые могут превысить предел прочности металла и явиться причиной разрушения детали.

Шероховатость оказывает влияние и на другие эксплуатационные свойства деталей: прочность при ударных нагрузках, контактную жесткость, коррозионную стойкость, коэффициент теплопередачи и другие.

Установлено, что чем меньше шероховатость поверхности, тем меньше детали подвержены коррозии. Коррозирующие вещества собираются на дне впадин неровностей и разрушают металл, увеличивая неровности.

Физико-механические свойства поверхностного слоя детали оказывают влияние на эксплуатационные свойства и в первую очередь — на износостойкость.