Что называют шероховатостью поверхности
Совокупность этих сравнительно мелких неровностей называют шероховатостью поверхности. Она влияет на трение, износ, герметичность соединения, удержание смазки, работу уплотнений, усталостную прочность и внешний вид детали.
На чертежах чаще всего встречаются два обозначения: Ra и Rz. Оба параметра измеряют в микрометрах, но они характеризуют профиль по-разному. Поэтому Ra 1,6 и Rz 1,6 не означают одинаковое качество поверхности, а переводить один параметр в другой по постоянному коэффициенту нельзя.
Что такое профиль поверхности
При измерении рассматривают не фотографию поверхности, а её профиль. Это линия, которую получают при прохождении измерительного щупа или оптического датчика по поверхности детали.
В измеренном профиле одновременно присутствуют отклонение общей формы, волнистость, шероховатость и отдельные дефекты. Отклонение формы может проявляться как неплоскостность или некруглость. Волнистость состоит из более крупных и протяжённых неровностей. Шероховатость образована мелкими и часто повторяющимися следами обработки.
Чтобы отделить шероховатость от волнистости и формы, прибор применяет фильтры и рассматривает профиль на установленной базовой длине. Результат зависит от направления измерения, базовой длины, длины оценки, фильтра, радиуса наконечника и настроек прибора.
Что показывает Ra
Ra - среднее арифметическое отклонение профиля. Прибор строит среднюю линию, учитывает абсолютные отклонения всех измеренных точек от неё и рассчитывает среднее значение.
Если большинство неровностей небольшие, Ra будет небольшим. Если профиль в среднем грубый, значение увеличится. В расчёте используется весь измеренный профиль, а не только несколько самых высоких выступов и глубоких впадин.
Поэтому Ra относительно устойчив к единичным выбросам и удобен для общей оценки качества обработки. Но глубокая одиночная царапина может оказаться критичной для уплотнения, даже если она незначительно изменила среднее значение Ra.
Что показывает Rz
С параметром Rz ситуация сложнее, потому что его определение зависит от применяемого стандарта.
В ГОСТ 2789-73 Rz традиционно определяется как высота неровностей профиля по десяти точкам. Для расчёта учитываются пять наиболее высоких выступов и пять наиболее глубоких впадин в пределах базовой длины.
В стандартах семейства ISO обозначение Rz имеет другое определение. В ГОСТ Р ИСО 4287-2014 Rz рассматривается как максимальная высота профиля в пределах базовой длины - сумма высоты наибольшего выступа и глубины наибольшей впадины. В новой серии ISO 21920 правила вычисления профильных параметров дополнительно уточнены.
Поэтому одинаковое обозначение Rz на старом советском чертеже, современном российском чертеже и документации иностранного заказчика может подразумевать разные алгоритмы расчёта.
Главное отличие Ra от Rz
Нельзя сказать, что один параметр правильный, а другой устаревший. Они описывают разные свойства профиля.
Могут ли две поверхности с одинаковым Ra отличаться
Да. На одной поверхности может быть много одинаковых неглубоких рисок, а другая может быть в основном гладкой, но иметь редкие глубокие впадины. Значения Ra у них могут оказаться близкими, хотя в работе поверхности будут вести себя по-разному.
Для скользящей пары важны распределение выступов и способность удерживать смазку. Для уплотнения опасны отдельные глубокие риски. Для декоративной поверхности важны направление следов и их равномерность. Для покрытия могут иметь значение площадь контакта и форма профиля.
Поэтому одного Ra не всегда достаточно для полного описания функциональной поверхности. В специальных случаях дополнительно нормируют Rz, максимальную высоту, шаг неровностей, опорную длину профиля и другие параметры.
Можно ли перевести Ra в Rz
Точного универсального перевода не существует. В справочниках встречаются приблизительные коэффициенты, по которым Rz принимают в несколько раз больше Ra. Но отношение зависит от способа обработки, материала, формы режущей кромки, подачи, износа инструмента, вибраций, направления измерения и применённого определения Rz.
Например, две поверхности с Ra 1,6 могут иметь различный Rz из-за разной формы профиля. Одна состоит из частых неглубоких рисок, другая - из редких, но высоких выступов.
От классов чистоты к параметрам Ra и Rz
До распространения современных профилометров качество поверхности часто оценивали сравнением с образцами и относили к определённому классу чистоты.
ГОСТ 2789-59 устанавливал 14 классов. На старых чертежах можно встретить треугольники с номером класса. При этом в самом стандарте уже применялись обе шкалы: для части классов основной была Ra, для других использовалась Rz.
Поэтому утверждение, что раньше существовал только Rz, а затем его полностью заменили на Ra, неверно.
ГОСТ 2789-73, введённый взамен ГОСТ 2789-59, перешёл от условных классов к прямому указанию измеряемых параметров и их числовых значений. При этом Ra был установлен как предпочтительный параметр.
Такой подход оказался понятнее: вместо номера класса конструктор задаёт конкретное требование, например Ra 3,2 или Rz 20.
Почему Ra стал основным параметром
Ra удобен для серийного производства и статистического контроля по нескольким причинам.
Во-первых, при расчёте используется весь профиль, поэтому результат меньше зависит от одной случайной вершины или впадины. Во-вторых, Ra удобно измерять профилометрами и сравнивать между деталями, партиями и технологическими процессами. В-третьих, этот параметр хорошо подходит для общей оценки большинства механически обработанных поверхностей.
Однако распространённость Ra не означает, что он полностью описывает поверхность. Он показывает среднюю величину отклонений, но не сообщает, как именно распределены пики и впадины. Поэтому Rz и другие параметры продолжают использовать там, где форма профиля имеет функциональное значение.
Почему Rz до сих пор встречается на чертежах
Rz сохраняется потому, что существует большое количество старых чертежей и отраслевых документов. Для грубых поверхностей высотный параметр иногда нагляднее, многие образцы сравнения имеют шкалу Rz, а отдельные поверхности чувствительны именно к выраженным пикам и впадинам.
Зарубежные стандарты тоже используют обозначение Rz, хотя метод расчёта может отличаться. Поэтому Rz нельзя автоматически считать ошибкой или устаревшим обозначением. Сначала нужно определить стандарт и понять, какое свойство поверхности хотел ограничить конструктор.
Как измеряют шероховатость
Самый распространённый способ - контактный профилометр. Алмазный щуп с малым радиусом перемещается по поверхности. Датчик фиксирует вертикальные перемещения наконечника, после чего прибор фильтрует профиль и рассчитывает выбранные параметры.
Измерение обычно выполняют поперёк основных следов обработки. Если провести щуп вдоль рисок после точения или фрезерования, результат может оказаться заметно ниже и не будет правильно характеризовать поверхность.
Также применяют бесконтактные методы: оптические профилометры, интерферометры, конфокальные микроскопы и приборы фокус-вариации. Они полезны для мягких материалов, тонких покрытий, малых элементов и поверхностей, которые можно повредить щупом.
В каких единицах указывают Ra и Rz
Ra и Rz обычно указывают в микрометрах. Один микрометр равен одной тысячной миллиметра: 1 мкм = 0,001 мм.
Ra 0,8 не означает, что размер детали выдержан с точностью 0,0008 мм. Шероховатость и размерный допуск связаны, но являются разными требованиями.
Какая шероховатость получается после разных операций
Фактический результат зависит от материала, станка, инструмента, жёсткости установки, подачи, скорости резания, охлаждения и состояния режущей кромки. Для предварительной оценки можно использовать ориентировочные диапазоны.
Как шероховатость влияет на работу детали
Что лучше указывать на чертеже: Ra или Rz
Для большинства обычных механически обработанных поверхностей удобно использовать Ra. Это предпочтительный и наиболее распространённый параметр общей шероховатости.
Rz имеет смысл указывать, когда это требует стандарт или отраслевая документация, нужно ограничить выраженные выступы и впадины, используется старый чертёж или поверхность контролируется по согласованной шкале Rz.
Иногда на ответственной поверхности задают несколько параметров. Это оправдано, если каждый из них связан с работой детали. Назначать Ra и Rz одновременно только «для надёжности» не стоит: это усложняет контроль и может создать противоречивые требования.
Почему не нужно ставить Ra 0,8 на всю деталь
Ra 0,8 выглядит как хорошая и аккуратная поверхность, поэтому её иногда автоматически назначают на все элементы. Но технически это далеко не всегда оправдано.
Для получения и стабильного подтверждения Ra 0,8 могут потребоваться отдельный чистовой проход, уменьшенная подача, специальный инструмент, повышенная жёсткость установки, шлифование или доводка, отдельный контроль профилометром и защита готовой поверхности от повреждений.
На нерабочих поверхностях Ra 0,8 часто не даёт практического преимущества. Для наружной поверхности корпуса, свободного торца или технологической выборки может быть достаточно Ra 3,2 или Ra 6,3.
Повышенную чистоту назначают там, где она действительно нужна: на посадочных диаметрах, поверхностях уплотнения, направляющих, в парах скольжения, на рабочих поверхностях подшипников и там, где важен внешний вид.
Как шероховатость влияет на стоимость изготовления
Чем меньше допустимое значение Ra, тем выше требования к технологии и контролю. Повышение требований может привести к увеличению количества проходов, снижению подачи, росту машинного времени, применению чистового инструмента, дополнительным установам, шлифованию, хонингованию или притирке.
Также приходится оставлять припуск под отделочную операцию, строже контролировать поверхность и учитывать риск брака при её повреждении. Особенно заметно стоимость растёт, когда требуемую шероховатость нельзя получить основной операцией и приходится добавлять отдельную обработку.
Поэтому шероховатость назначают вместе с размерным допуском, назначением поверхности и реальными условиями работы детали.
Частые вопросы
Чем меньше Ra, тем поверхность лучше?
Что означает Ra 0,8?
Можно ли считать Rz равным четырём Ra?
Что больше: Ra или Rz?
Почему на старых чертежах указаны треугольники?
Могут ли две поверхности с одинаковым Ra работать по-разному?
Нормативная основа и связанные разделы
В российской документации встречаются ГОСТ 2789-73 и ГОСТ Р ИСО 4287-2014, а в современной международной практике - серия ISO 21920. При контроле Rz особенно важно учитывать стандарт, потому что определения параметра различаются.