Классы чистоты обработки металла - Особенности и виды

Классы обработки металла являются показателем качества выполненной работы. А от этого в свою очередь зависят прочностные характеристики деталей, их стойкость к износу и даже внешний вид.

Благодаря введению классификации степени обработки поверхности изделий стало гораздо легче определять их соответствие стандартам. Это не только способствует увеличению срока эксплуатации полученных деталей, но и предупреждает разногласия между исполнителем и заказчиком.

Понятие качества поверхности металла после обработки

После обработки на фрезерном станке, как и после других работ с заготовкой, на ее поверхности образуются неровности – гребешки и впадины (иначе говоря, шероховатости и волнистости). В верхних слоях материала также появляется остаточное напряжение, на некоторых глубинах проката возникает разность твердости, которая проявляется как упрочнение или наклеп. Такие изменения влияют на свойства готовых изделий и, следовательно, на качество их поверхностей. Все эти характеристики и определяют класс обработки металла.

Качество готовых деталей определяется как их физическими, так и геометрическими показателями.

• Физические критерии качества.

Качество поверхности изделия определяется соотношением физических и механических свойств его центральной части с наружной.

Во время обработки металлических заготовок их поверхность подвержена пластическим изменениям, поэтому и прочие характеристики материала в готовом изделии отличаются от первоначальных. Внешняя часть пластины при этом упрочняется, в ней появляются внутренние напряжения.

После финального этапа обработки металла на фрезерной установке упрочненный слой распространяется всего на несколько сотых миллиметра, тогда как после первичного воздействия цилиндрической фрезой его толщина в среднем составляет 0,04–0,08 мм, достигая при этом и 0,12 мм. При воздействии торцевой фрезой параметр равняется 0,06–0,1 мм, хотя может быть и 0,2 мм. Возникающие внутренние напряжения и упрочнения поверхности понижают класс обработки металла за счет уменьшения усталостной прочности изделия. Такие деформации сокращают эксплуатационный срок детали, что приводит к необходимости ее скорой замены.

• Микрогеометрические критерии качества.

При грубой черновой обработке зубчатой фрезой на больших оборотах и при повышенной глубине сечения на кромке изделия остаются неровности, которые заметны невооруженным глазом и легко определяются на ощупь. Шероховатости и волнистости, образующиеся при промежуточной и чистовой обработке на малых оборотах и при неглубокой резке, визуально незаметны и едва прощупываются.

Класс геометрической точности обработки металла зависит от наличия на поверхности изделия неровностей: впадин, гребешков, шероховатостей и пр. Подобные дефекты на малой площади поверхности называются ее микрогеометрией.

Микрогеометрия поверхности при обработке проката зависит от:

• геометрии фрезы, ее качества и степени износа;
• вибраций, возникающих из-за недостаточной жесткости станка или его рабочих элементов;
• установленных настроек работы фрезерной машины (скорости и глубины раскроя, подачи на зуб, охлаждения);
• механических свойств обрабатываемого листа и самой фрезы.

Влияние шероховатости на работу деталей

Как упоминалось ранее, в процессе придания металлическому листу нужной конфигурации на местах воздействия остаются шероховатости – небольшие впадины и гребешки, влияющие на определение класса обработки металла. Они могут возникнуть вследствие неровности режущего инструмента или вибраций, возникающих в ходе работы, остаться как отпечаток неровности на самом штампе или форме и т. д.

Наличие шероховатости детали, установленной в машину или другой агрегат, может привести к:

• некорректному сопряжению элементов за счет смятия материала или ускоренному износу выступов детали;
• падению прочности соединения, дефектам при наложении лакокрасочных и гальванических покрытий;
• некорректным результатам геометрических измерений элемента;
• снижению жесткости стыковых соединений;
• разрушению уплотнений, сопряженных с поверхностями валов;
• снижению усталой прочности элемента за счет концентрации напряжения в шероховатостях;
• ускоренному окислению и порче металла и др.

Категории чистоты обработки металла

Класс чистоты обработки металла зависит от степени шероховатости его поверхности. Он рассчитывается как высота неровностей и периодичность их повторений. На этот показатель влияет два основных фактора: метод воздействия и используемый инструмент.

Существует четыре категории чистоты обработки металлических заготовок:

1. Грубая, когда шероховатости видны невооруженным глазом. Получается вследствие ручной обработки при помощи крупного напильника или при использовании фрез, ножей, сверл на первичном этапе машинной обработки.
2. Получистая, когда неровности едва заметны или незаметны при визуальном осмотре. Достигается при использовании ручного мелкоабразивного напильника или специализированного станка в качестве чистовой обработки.
3. Чистая, когда дефекты поверхности различимы только при использовании дополнительных инструментов. Получается при чистовой обработке бархатным напильником или при использовании специального шлифовального агрегата.
4. Очень чистая, когда неровности поверхности отсутствуют практически полностью. Достигается в результате использования притирки или при высокоточной ручной шлифовке напильниками с минимальной степенью абразивности. Этот класс чистоты обработки металла считается эталонным.

14 классов обработки поверхности металла

Шероховатость готового изделия определяется специальным прибором. Единица измерения данного критерия – микрометр. Причем существует две категории шершавости: исходный, достигаемый за счет производственной обработки поверхности, и равновесный, который получается в процессе эксплуатации детали за счет ее естественного износа.

Чистота обработки металла регламентируется ГОСТом, который содержит четкие требования к характеристикам деталей той или иной категории. Всего существует 14 классов, при этом первый класс – наиболее грубый, четырнадцатый – максимально чистый.

Степень неровности поверхности определяется посредством трех числовых критериев:

• L – длина участка поверхности (мм);
• Rz – высота неровности (мкм);
• Ra – среднеарифметическое отклонение профиля (мкм).

Показатель среднеарифметического отклонения свидетельствует о степени шероховатости поверхности. Классы чистоты обработки металла с 6-го по 14-й имеют три разряда (а, б, в), поскольку характеризуются минимальными погрешностями.

Таблица. Значения параметров Ra и Rz, соответствующих той или иной категории шероховатости. Стоит отметить, что теоретически лучше использовать в качестве контрольного показателя Ra вместо Rz.

Методы определения степени шероховатости

Неровность поверхности определяется при помощи разных методик. В одних случаях она оценивается визуально, в других – посредством особых приборов. Причем контроль может производиться на разных этапах обработки. Стоит отметить, что визуальный осмотр не позволяет с точностью оценить уровень шероховатости изделия и, следовательно, определить класс обработки металла. Он лишь показывает, есть ли на детали выраженные дефекты.

Существует также два метода определения степени неровности металла: поэлементный, когда сравниваются отдельные показатели, и комплексный, когда проводится сравнение данного изделия с эталоном. Первый метод считается более точным. Его можно воплотить следующими способами:

1. Щуповой способ оценки класса обработки металла

Замер осуществляется посредством непосредственного контакта с изделием при использовании особого прибора – профилометра. Он обладает тонкой и острой алмазной иглой, с помощью которой производится замер, а чувствительный датчик записывает показатели.

Алмазная игла устанавливается перпендикулярно измеряемой поверхности и равномерно перемещается. При обнаружении даже минимальных неровностей возникают механические колебания наконечника. Они направляются в датчик, который преобразует обычное волнение в сигнал, усиливает его с помощью преобразователя и замеряет. Полученные показатели предельно точно повторяют характеристики измеряемого объекта.

В зависимости от типа преобразователя профилометры делятся на электронные, пьезоэлектрические, индукционные и индуктивные. Последние являются наиболее распространенными.

Профилометры позволяют лишь измерить имеющиеся шероховатости, а полиграфы также обладают функцией их записи в рамках заранее определенного масштаба.

2. Оптический способ оценки класса обработки металла

Определение неровности происходит бесконтактно. Существует целый ряд методов применения оптической оценки. К наиболее распространенным относятся: прием светового свечения и теневой метод, растровый и микроинтерференционный.

• Прием светового свечения и теневой метод

Способ светового свечения предполагает следующий сценарий: поток света проходит через узкую щель, превращаясь в тонкий пучок световых волн.При помощи объектива этот пучок под определенным углом направляется на металлическую поверхность. Отражаясь от нее, поток света вновь проходит через объектив и, попадая на окуляр, генерирует изображение щели. Если изделие не имеет шероховатостей, то на окуляре проявится идеально ровная полоса света, если дефекты поверхности есть, то и световая линия будет искривленной.

Теневой метод – это, можно сказать, дополненный световой. Основное отличие состоит в том, что возле металлического изделия устанавливается линейка со скошенным краем. Световой луч подается на исследуемую поверхность и словно срезается ребром линейки. Из-за этого на детали появляется тень, которая точно повторяет ее форму. Для определения класса обработки металла таким способом полученную тень рассматривают под микроскопом и делают соответствующие выводы.

• Растровый метод

При оценке поверхности металлического изделия растровым методом на нее накладывается стеклянная пластина с нанесенными параллельными линиями, которые находятся на одинаково малом расстоянии друг от друга. При подаче на пластину светового луча под углом в местах шероховатостей тень от линий, нанесенных на стеклянную пластину, накладывается на реальные контуры. Образуются так называемые муаровые полосы, которые и говорят о наличии гребешков и впадин. Для более точной оценки показателей шершавости используют растровый микроскоп.

• Микроинтерференционный

Метод предполагает применение особого устройства, который состоит из интерферометра и измерительного микроскопа. Первый элемент позволяет получить интерференционную карту поверхности с искривленными линиями в местах шероховатостей, а второй помогает их измерить.

Для оценки класса обработки металла в труднодоступных местах или на элементах со сложной геометрией можно применить метод слепков. Он предполагает выполнение негативных копий изделий при помощи гипса, парафина или воска и их исследование щуповым способом. То есть метод слепков является вспомогательным, а не самостоятельным и применить его можно только в комплексе с одним из измерительных приемов, описанных выше.

Внедрение категорий чистоты поверхностей металлических изделий позволило установить общепринятые нормы и проводить оценку деталей в соответствии с ними, составлять требования качества не для отдельных элементов детали, а целых групп, объединенных общими характеристиками. Разделение на классы обработки металла стало катализатором проектирования приборов, отвечающих тем или иным параметрам, появления единых принципов измерения и, как следствие, совершенствования процесса изготовления типовых элементов.