Шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенная на базовой длине. Является одним из основных параметров качества поверхности деталей машин, приборов и других изделий, определяющим их эксплуатационные свойства, такие как износостойкость, герметичность соединений, коэффициент трения, усталостная прочность и коррозионная стойкость. Шероховатость является результатом технологического процесса обработки (резания, шлифования, литья, штамповки и др.) и не включает в себя отклонения формы (волнистость, макрогеометрические погрешности).

История изучения и стандартизации

Проблема оценки качества поверхности возникла с развитием машиностроения в XIX веке. Первоначально шероховатость оценивалась визуально или на ощупь. В 1930-х годах, с появлением точных измерительных приборов — профилометров и профилографов, — возникла необходимость в количественных критериях. В СССР первым государственным стандартом на шероховатость поверхности стал ГОСТ 2789-45, разработанный под руководством профессора И. В. Дунина-Барковского. Этот стандарт ввёл систему параметров и классов чистоты поверхности, которая позже была гармонизирована с международными нормами (ISO 1302).

В 1973 году в СССР был принят ГОСТ 2789-73, который действовал вплоть до 1990-х годов. В настоящее время в Российской Федерации действует межгосударственный стандарт ГОСТ 2789-73 (ИСО 1302-78) «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики», а также комплекс стандартов Единой системы допусков и посадок (ЕСДП), регламентирующих обозначение шероховатости на чертежах. Международная организация по стандартизации (ISO) выпускает серию стандартов ISO 4287, ISO 4288 и ISO 1302, которые устанавливают термины, определения, правила измерения и обозначения.

Параметры шероховатости

Шероховатость оценивается по профилю, полученному в сечении поверхности плоскостью, перпендикулярной направлению неровностей. Основные параметры регламентируются ГОСТ 2789-73 и ISO 4287. Они делятся на высотные, шаговые и относительные.

Высотные параметры

• Ra — среднее арифметическое отклонение профиля. Вычисляется как среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины. Является наиболее распространённым параметром в машиностроении. Обозначается в микрометрах (мкм).
• Rz — высота неровностей профиля по десяти точкам. Определяется как среднее арифметическое абсолютных высот пяти наибольших выступов и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины. Используется для оценки поверхностей с крупными неровностями (например, после литья или грубой обработки).
• Rmax — наибольшая высота профиля. Расстояние между линией выступов и линией впадин в пределах базовой длины.
• Rp — высота сглаживания профиля. Расстояние от средней линии до линии выступов.
• Rv — глубина впадин профиля. Расстояние от средней линии до линии впадин.

Шаговые параметры

• Sm — средний шаг неровностей профиля. Среднее арифметическое значение шагов неровностей в пределах базовой длины.
• S — средний шаг местных выступов профиля. Среднее арифметическое значение шагов местных выступов.

Относительные параметры

• tp — относительная опорная длина профиля. Отношение опорной длины профиля к базовой длине, выраженное в процентах. Опорная длина — сумма длин отрезков, отсекаемых на заданном уровне p (обычно 5%, 10%, 15% и т.д. от Rmax) от линии выступов.

Классы шероховатости

В советской и российской системе стандартов (ГОСТ 2789-73) установлены классы шероховатости, которые обозначаются цифрами от 1 до 14. Чем выше номер класса, тем более гладкой является поверхность. Каждому классу соответствует диапазон значений параметра Ra или Rz:

• 1–3 классы (Ra 80–20 мкм): грубая обработка (обдирка, черновое точение, строгание).
• 4–6 классы (Ra 10–2,5 мкм): чистовая обработка (чистовое точение, фрезерование, сверление).
• 7–9 классы (Ra 1,25–0,32 мкм): тонкая обработка (шлифование, хонингование, притирка).
• 10–14 классы (Ra 0,16–0,01 мкм): сверхтонкая обработка (полирование, суперфиниширование, доводка).

В международной практике (ISO) классы не используются, а указываются непосредственно значения Ra или Rz.

Методы измерения

Измерение шероховатости производится двумя основными группами методов: контактными и бесконтактными.

Контактные методы

• Профилометрический метод (щуповой). Используется профилометр — прибор, в котором алмазная игла (щуп) с радиусом закругления 2–10 мкм перемещается по поверхности. Вертикальные перемещения иглы преобразуются в электрический сигнал, который обрабатывается и выводится на дисплей в виде числового значения Ra или Rz. Этот метод является наиболее распространённым и стандартизированным.
• Профилографический метод. Аналогичен профилометрическому, но результатом является графическое изображение профиля (профилограмма), по которому можно вручную или с помощью программного обеспечения рассчитать все параметры.

Бесконтактные методы

• Оптический метод (интерферометрия). Используется интерференционный микроскоп, который позволяет визуализировать микронеровности в виде интерференционных полос. Применяется для измерения сверхгладких поверхностей (Ra < 0,1 мкм).
• Лазерная профилометрия. Лазерный луч сканирует поверхность, а отражённый сигнал регистрируется фотоприёмником. Позволяет измерять шероховатость на больших площадях и в труднодоступных местах.
• Атомно-силовая микроскопия (АСМ). Используется для нанометрового диапазона шероховатости (Ra < 0,01 мкм). Зонд АСМ сканирует поверхность, регистрируя силы взаимодействия между зондом и атомами образца.

Влияние на эксплуатационные свойства

Шероховатость поверхности оказывает значительное влияние на работу деталей:

• Износостойкость. Чем выше шероховатость (больше Ra), тем быстрее происходит износ, так как выступы (микронеровности) срезаются при трении. Для трущихся поверхностей обычно назначают Ra 0,32–1,25 мкм.
• Герметичность соединений. Для уплотнительных поверхностей (например, в гидравлике и пневматике) требуется низкая шероховатость (Ra 0,16–0,63 мкм), чтобы обеспечить плотное прилегание и предотвратить утечки.
• Усталостная прочность. Микронеровности являются концентраторами напряжений, что снижает предел выносливости детали. Особенно критично для деталей, работающих при циклических нагрузках (валы, пружины). Полирование (Ra 0,04–0,16 мкм) повышает усталостную прочность.
• Коррозионная стойкость. Шероховатая поверхность имеет большую площадь контакта с агрессивной средой, что ускоряет коррозию. Для защиты от коррозии часто назначают Ra 0,32–1,25 мкм.
• Коэффициент трения. Для подшипников скольжения и направляющих требуется определённая шероховатость, обеспечивающая удержание смазки (масла) в микронеровностях. Слишком гладкая поверхность может привести к «масляному голоданию» и задирам.

Обозначение на чертежах

В соответствии с ГОСТ 2.309-73 (ЕСКД) и ГОСТ 2789-73, шероховатость поверхности на чертежах обозначается специальным знаком — галочкой (√). Знак ставится на линии контура или на выносной линии. Над знаком указывается числовое значение параметра (например, Ra 1,25) или класс шероховатости (например, ∇ 7). Вид обработки (например, «Полировать») указывается, если она является единственным способом достижения заданной шероховатости. Если способ обработки не оговаривается, знак изображается без полки.

Интересные факты

• Самая гладкая поверхность, созданная человеком, — это поверхность кремниевой пластины для микроэлектроники, шероховатость которой может достигать Ra 0,0001 мкм (0,1 нм).
• В природе одной из самых гладких поверхностей считается поверхность глаза человека (роговица), шероховатость которой составляет около Ra 0,01 мкм.
• В некоторых отраслях (например, в производстве оптических линз) для оценки качества поверхности используется не только Ra, но и параметр «шероховатость по среднеквадратичному отклонению» (RMS), который примерно в 1,25 раза больше Ra.

Источники

1. ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики».
2. ГОСТ 2.309-73 «Единая система конструкторской документации. Обозначения шероховатости поверхностей».
3. ISO 4287:1997 «Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface texture: Profile method — Terms, definitions and surface texture parameters».
4. Дунин-Барковский И. В. «Измерение шероховатости поверхности». — М.: Машиностроение, 1978.
5. Суслов А. Г. «Технология машиностроения». — М.: Машиностроение, 2007.