Классы чистоты металлов

Готовая деталь должна соответствовать параметрам, которые заданы чертежом и техническими условиями. Под классом чистоты обработки металла подразумевается качество сделанной работы. Это относится к форме, размерам, правильности взаимного положения составных частей, уровню шероховатости отделанных плоскостей. Принятие классификации классов позволило проверять степень обработки поверхности на соответствие стандартам. А это влияет не только на прочность детали, ее устойчивость к износу, но и на внешний вид.

Что такое качество обработанной поверхности?

Фреза, токарный резец оставляют на поверхности детали неровный рельеф в виде ямок и гребёнок. Поэтому на ощупь чувствуются волнообразность и шероховатость. Также обработка влияет на наружные слои металла, в которых образуется пластическая деформация в виде остаточного напряжения. Нередко оно под воздействием высокой температуры, разной сопротивляемости на поверхности и внутри слоя образует упрочнённый слой или наклёп. Эти показатели играют решающую роль в установлении класса обработки металлов. Степень точности изготовленных деталей оценивается как физическими, так и геометрическими параметрами.

Физическая мера точности

После окончания процесса обработки необходимо тщательно изучить поверхность, чтобы понять, насколько она соответствует требованиям чертежа и заданной точности. О качестве детали можно судить по соотношению механических и физических показателей внешней части с сердцевиной. Во время снятия стружки с металлической заготовки, ее поверхность подвергается нагреву и пластическим преобразованиям. Вследствие этого и другие физические параметры готовой детали различаются с первоначальными характеристиками. Внешний слой обработанной поверхности упрочняется, в нем накапливаются пластические деформации. Они приводят к появлению внутренних или остаточных напряжений.

Качество поверхности детали

После завершающей стадии обработки металла на металлорежущем станке толщина упрочненного слоя равняется сотым долям миллиметра. Но в начале эти показатели выглядят по-другому. Наружная часть металлической заготовки в процессе обработки претерпевает изменения. В результате пластической деформации поверхностный слой упрочняется, проявляются внутренние локальные напряжения.

К примеру, на фрезерном станке первый проход цилиндрической фрезы приводит к толщине упрочнения в 0,03–0,08 мм, но возможно получить и 0,15 мм. В начале работы торцевой фрезы высота упрочненного слоя может быть еще больше: 0,07–0,1 мм, в исключительных случаях достигая 0,3 мм. Появление внутренних напряжений и возникновение упрочненных поверхностей у детали понижают класс обработки, так как ее усталостная прочность уменьшается. Такая деформация плохо влияет на деталь, сокращая ее эксплуатационный срок, приближая скорую замену.

Класс геометрической точности при обработке металлических изделий определяется наличием на их поверхности бугристости: гребешков, впадин, шероховатостей и прочих неровностей.

Критерии качества микрогеометрии

Если вести грубую черновую обработку на станке с помощью зубчатой фрезы, используя большие обороты и подачу, то на поверхности заготовки будут видны неровности. Их нетрудно прощупать

пальцами. А вот волнистость и шероховатость, которые образуются во время чистовой обработки на небольшой подаче (заглублении фрезы) и маленьких оборотах, будут едва заметны глазу и почти не ощущаются подушечками пальцев.

Наличие на поверхности детали шероховатостей, впадин, гребешков определяет класс геометрической точности обработанной детали. Подобные изъяны на небольшой площади носят название микрогеометрии. Она зависит от материала заготовки и режущего инструмента, режимов работы станка и других факторов.

На микрогеометрию поверхности при фрезеровании металлопроката влияют:

• вибрация, появляющаяся при не очень хорошо закрепленном станке или его рабочем органе;
• установленные настройки фрезерного станка (скорость, подача на зуб, глубина раскроя, охлаждение);
• геометрия фрезы, степень износа режущих кромок;
• механические свойства обрабатываемой заготовки.

Технологический критерий

Он предъявляется только к режущему инструменту, который предназначен для окончательной чистовой обработки. Если поверхность перестает соответствовать техническим условиям, то токарный резец или фреза признаются затупленными (изношенными). Согласно этому критерию, их нужно переточить, даже если они по другим показателям износа могут еще работать. Объяснение этого требования простое. Ухудшение микрогеометрии обработанной поверхности (площади) приходит скорее, чем износ инструмента достигнет предельных значений.

Зависимость срока службы детали от шероховатости поверхности

В процессе обработки металлической заготовки, на ее поверхности появляются шероховатости в виде микроскопических впадин, гребешков, неровностей. Они возникают как от недостаточной степени остроты режущей кромки резцов или фрез, так и от технического состояния станка. Возникающие при работе биение, вибрация, плохо заточенный инструмент приведут к появлению грубой обработанной поверхности. Деталь с наличием шероховатости, поставленная в механизм или устройство, вызывает такие неприятные последствия:

• неправильное сопряжение элементов из-за смятия или быстрого износа микровыступов поверхности детали;
• снижение прочностных характеристик соединения, появление дефектов при нанесении гальванических и лакокрасочных покрытий;
• неточные результаты измерений размеров и формы детали;
• уменьшение жесткости в стыках соединений;
• повреждение уплотнений;
• нарушение сопряжений с обработанными поверхностями валов;
• быстрое окисление и появление коррозии;
• снижение прочности детали из-за появления очагов напряжения в шероховатой поверхности.

Понятие чистоты при обработке металла

После чистовой обработки, когда фрезерование ведется на малой подаче, неровности не только не видны визуально, но и почти не ощущаются пальцами. Чистоту обработанной поверхности можно охарактеризовать степенью гладкости (шероховатости), которая зависит от размера впадин, гребешков, других шершавостей. Замер в микронах проводится специальными приборами — профилометрами.

Класс чистоты обработанных плоскостей металла определяет степень шероховатости. На нее влияют такие факторы.

• физические свойства металла;
• режимы обработки (скорость резания, подачи);
• геометрия резца (передний угол, главный угол в плане, радиус закругления вершины);
• правильность заточки режущей кромки инструмента;
• наличие вибраций самого станка, закрепленной детали, инструмента.

Различают 4 вида чистоты поверхности обрабатываемых металлических заготовок:

1. Грубая. При ней шероховатости заметны визуально. Наблюдается при ручной работе крупным напильником (рашпилем), а также во время применения резцов, фрез на первом проходе станочной обработки.
2. Получистая. Неровности почти не видны визуально, но чуть прощупываются. Получается при ручном применении мелкого напильника или станков для чистовой обработки.
3. Чистая. В этом случае шершавость можно обнаружить специальными приборами. Наблюдается при ручном использовании бархатного напильника или применении шлифовального станка.
4. Сверхчистая. Микронеровности обнаружить трудно. Наблюдается при ручной притирке или высокоточной шлифовке. Этот класс чистоты признан эталоном обработанной поверхности металла.

Методы достижения точности в машиностроении

На металлорежущих станках заданной точности обработки добиваются тремя способами:

1. Пробными проходами, когда снятие стружки с заготовки делается по разметке, последовательно приближаясь к заданной форме и размеру. В конце каждого прохода режущего инструмента делается измерение полученного размера, затем принимается решение о величине следующего припуска. В таких случаях точность определяет мастерство станочника (токаря, фрезеровщика).
2. Автоматическим получением размеров, когда обработка заготовки ведется с помощью настроек станка. При этом методе режущий инструмент заранее подстраивается на заданный размер, а потом снимает стружку с заготовок, которые зажимаются в шпинделе в одном и том же положении. При этом точность определяется квалификацией наладчика и вариативностью настроек станка.
3. Автоматической обработкой заготовки на металлорежущих станках с ЧПУ (числовым программным управлением) или копировальном оборудовании. При этом методе точность определяется степенью безошибочности действий системы управления и зависит от квалификации оператора-программиста.

Классификация чистоты поверхности

В результате механической обработки детали получают разную степень гладкости. ГОСТ 2789-59 определил 14 классов чистоты. Первый — наиболее грубый, последний — предельно гладкий. Их показатели определяются соотношением:

• длиной зоны (L);
• высотой неровностей (Rz);
• средним отклонением профиля (Ra).

Классы чистоты с шестого по четырнадцатый поделены на 3 разряда (а, б, в), так как наделены минимальными погрешностями.

Связь чистоты обработки с режимами резания

При механической обработке значение имеет выбор режима резания (скорость, подача, глубина). Стойкость (срок службы между переточками) инструмента в основном зависит от скорости подачи фрезы и быстроты вращения заготовки.

Глубина резания не так сильно оказывает влияние на прочность и долговечность резцов, но от нее зависят силы резания. Зачастую припуск делится на несколько проходов. Поэтому во время черновой обработки устанавливается наибольшая глубина 3–5 мм, способная снять припуск за один проход (60 % общего припуска). Получистая поверхность получается при толщине срезаемой стружки 2–3 мм. В этом случае глубина резания зависит от размера припуска (20–30 % от суммарной величины), чистоты обработки и нужной степени точности. Чтобы получить чистовую поверхность, которая также зависит от класса чистоты и степени точности, устанавливают глубину 0,5–1 мм (10–20 % от суммарного припуска).

Величину подачи ограничивают силы, которые действуют в процессе резания. Они могут поломать режущий инструмент, деформировать и исказить форму заготовки. Обычно подачу выбирают в таблицах справочников режимов резания.

Конкретные условия обработки определяют скорость резания. Она так же, как и подача, оказывает влияние на стойкость (время работы между переточками) инструмента. Скорость, а значит и производительность обработки, зависит от режущих свойств инструмента.

Методы определения гладкости поверхностей

Шероховатость устанавливается с помощью приборов. В условиях производства партия деталей сравнивается с образцами чистоты, изготовленными на тех же станках, из того же металла по такой же технологической карте.

Чистота поверхности самих образцов определяется в лаборатории с помощью специальных приборов. До 6-го класса чистоты сравнение можно делать визуально. Для контроля поверхностей 7–9 классов используется лупа или микроскоп сравнения.

Кроме сравнения с образцом, применяется более точный поэлементный метод измерения шероховатости. Он включает следующие способы:

• проверка с помощью профилометра;
• оптическая оценка (прием светового свечения, растровый и теневой методы и др.).

Также в качестве вспомогательного может применяться метод слепков. Для самостоятельной проверки он не используется, только в сочетании с перечисленными выше способами.