Источник: Голубев Ю.М. - Шероховатость поверхности и методы ее оценки. Новосибирский электротехнический институт.1977г.,c 5-9
ВВЕДЕНИЕ
Эксплуатационные свойства машин и приборов, их точность, надежность и долговечность в значительной мере зависит от качества поверхности, ее микрогеометрического и физико-механического состояния.
Изучение качества поверхности и, в частности, шероховатости началось давно, но только в наши дни признана исключительная важность этого инженерного вопроса. Решение его поможет обеспечить качество и надежность выпускаемой продукции и повысить ее до уровня лучших мировых образцов.
Решая проблему повышения качества, необходимо обеспечить одинаково высокие и равные эксплуатационные показатели и, в первую очередь, показатели надежности и долговечности всех выпускаем изделий вне зависимости от времени и места их выпуска. Вот почему проектирование, производство и эксплуатация машин и приборов все шире основываются на использовании принципов функциональной взаимозаменяемости, по которым экономически оптимальные эксплуатационные показатели изделий обеспечиваются в заданных пределах.
В инженерной практике в настоящее время при разработки технологических процессов изготовления деталей машин и приборов в основном принимаются во внимание такие технологические факторы, как производительность труда, стойкость инструмента, точность изготовления, чистота поверхности. Однако во время работы машин и приборов эксплуатационные достоинства деталей в значительной степени зависят от качества рабочих поверхности, формирующихся в процессе обработки.
Под качеством поверхности следует понимать совокупность свойств ( шероховатость , остаточные напряжения, поверхноотная твердость и т.п.), определяющих пригодность поверхностного слоя для использования его по назначению. А поскольку поверхность должна выполнять свои функции в заданных пределах, качество ее выполнения должно соответствовать определенным нормам (допускам). Это значит, что в конкретных условиях эксплуатации необходимо не только выбрать ее основные свойства и соответственно вид финишной операции, но и установить для этих свойств определенные требования, Эти требования выражаются в том, что соответствующие основные параметры должны находиться в установленной для них области допустимых значений.
Как уже отмечалось, качество поверхности может быть оценено совокупностью показателей. Поверхностная твердость, остаточные напряжения и характер их распределения по глубине слоя оцениваются, по существу, однозначно. Сложнее обстоит дело о нормированием шероховатости поверхности. По ранее действующему стандарту (ГОСТ 2789-69) шероховатость оценивалась только по двум высотным параметрам, однако общеизвестно, что они не могут исчерпывающим образом характеризовать разнообразные эксплуатационные свойства поверхностей.
Поверхности, обработанные разными способами, имеют шероховатость не только разной высоты, но и различной геометрической формы, серьезно влияющей на их свойства. Это обстоятельство привело к тому, что оценить шероховатость одной характеристикой так, чтобы она одновременно отражала бы ряд ее эксплуатационных свойств, не представляется возможным.
Долгое время считалось, что приоритет в постановке проблемы шероховатости поверхности принадлежит немецким исследователям (Г.Щмальц, 1927 г. и Х.Бауэр, 1934 г.). Однако теперь доказано, что основоположником науки о качестве поверхности является русский инженер, профессор Михайловской артиллерийской академии В.Л.Чебышев, брат знаменитого математика. Еще в 1873 году он обратил внимание специалистов на то, что режущий инструмент серьезно влияет на чистоту обрабатываемых поверхностей, и предложил первую в мире формулу (позднее использованную Х.Бауаром) для вычисления высоты микронеровностей.
Исследование шероховатости поверхностей велось и ведется в следующих основных направлениях:
1.1 Поиск, исследование и стандартизация параметров и критериев шероховатости,
1.2. Метрологическое направление.
1.3.Технологическое обеспечение, определение шероховатости расчетным способом.
1.4. Шероховатость, ее связь с эксплуатационными свойствами поверхностей.
1.5. Функциональная взаимозаменяемость поверхностей по параметрам шероховатости.
ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ НАУКИ О ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
Здесь следует отметить автора первого систематизированного труда по качеству поверхностей немецкого профессора Г.Шмальца. Им был дан обстоятельный обзор новевших по тем временам методов изучения и контроля качества поверхностей в технике, сделан подробный анализ существовавших параметров оценки шероховатости поверхности, обоснованы требования, предъявляемые к нормативам качества поверхности и разработан проект стандарта на шероховатость с ее количественной оценкой.
В СССР глубокие исследования в атом направлении были проведены в Институте машиноведения АН СССР и ЦНИИАМ под руководством П.Б.Дьяченко. На основе экспериментальных и аналитических исследований им был сделан критический анализ характеристик шероховатости поверхности и разработан проект первого отечественного стандарта.
Проблеме разработки количественных норм шероховатости поверхности уделял внимание и А.И.Каширин.
Заслуживает внимания труд Г.Шлезингера, основой которого явился отчет о выполненной под его руководством исследовательской работы в Институте производственных инженеров в Англии. В нем рассмотрены вопросы опенки качества поверхности, методы и средства контроля шероховатости, вопросы ее стандартизации.
В ряде работ А.Ф.Лесохина дается подробный анализ основных параметров шероховатости, причем была выдвинута "новая концепция шероховатости", названная автором энергетической.
Хорошо известна монография В.А.Баруна, в которой в довольно сжатой формерме изложено состояние вопроса по шероховатости обработанной поверхности, ее измерению, стандартизации и контролю.
М.О.Якобсон предложил критерий, определяющий границы допустимой неоднородности микрорельефа.
В работах А.И.Карташева исследуются возможности использования частотных характеристик шероховатости поверхности в качестве критериев оценки, предлагается коэффициент "поляризации" как критерий однородности шероховатости, измеренной в различных направлениях.
Из последних работ особого внимания заслуживает спектральная теория неровностей И.В. Дунина-Барковского, согласно которой в качестве критериев оценки шероховатости предлагаются параметры спектра кривой профиля, рассматриваемой как периодическая функция. Весьма интересные работы выполнили Ю.Р.Витенберг и Я.А.Рудзит, в которых используются теории случайных функций.
В области создания оптических и оптико-механических приборов для измерения микронеровностей приоритет принадлежит советскому ученому В.П.Линнику. Предложенный им в 1929 году "метод светового сечения" для измерения неровностей не требует разрушения или повреждения испытуемого образца. Позднее Г.Шмальц, использовав схему устройства его прибора, при помощи фирмы Цейс изготовил двойной профильный микроскоп.
И в области создания полноценного оптико-механического профилографа промышленного производства первенство принадлежит советским ученым. Зарубежные профилографы различных систем (Г.Шмальца, В.Кизеветтера, Э.И.Аббота, Г.Шоу и ряда других) были изготовлены в единственных экземплярах для собственных лабораторных исследований, причем существенные недостатки их конструкций значительно сказывались на точности и производительности контроля.
Советские оптико-механические профилографы К.Л.Аммона и системы Б.М.Левина позволили производительно вести точный контроль самых тонких поверхностей в заводских условиях. Их производство было налажено отечественной промышленностью.
Мироинтерферометр В.П.Лнниика, созданный в 1933 году, впервые в мире сделал доступными измерению (в пределах 9-14-го классов чистоты) поверхности, обработанные методами механической доводки и притирки. В.П.Линник внёс большой вклад в развитие отечественного приборостроения. Двойной микроскоп (1930 г.), микроинтерферометр (1983 г.), механический профилограф (1936г.), пневматический профилометр (1937 г.). микропрофилометр (1944 г.) и ряд других замечательных приборов носят имя академика В.П.Линника.
Необходимо отметить работу авторов первого советского оптико-механического профилографа. Он был создан (1930-1934 гг.) И.М.Беспрозванным и И.И.Иненко в МВТУ им. Баумана.
Развитие проектирования отечественных, приборов для определения шероховатости поверхности связано и с именами ряда других советских ученых и конструкторов: Г.А.Прейса(1937 г., оптиметр о ощупывающей иглой), С.А.Поликарпова (1930 г., передвижной прибор на базе оптиметра), И.А.Мишина (1940 г., электродинамический профилометр), П.И.Буловского и А.А.Тудоровского (1947 г., пьезоэлектрический профилометр), В.М.Каселева (1948 г., электродинамичеокий профилометр), М.Л.Бржезинского (1948 г., пневматический профилометр-профилограф), В.С.Чамана (индукционный профилометр), В.А.Трутень (1954 г., оптико-механический профилограф) и др.
Из предложенных в последнее время конструкций приборов заслуживают внимания микроинтерферометр Ю.В.Коломийцева, пьезоэлектрический профилометр И.В.Дунина-Барковского и профилометры-профилографы высокой точности завода "Калибр", разработанные А.и.Бояровнм, Ю.В.Клейменовым и Г.И.Овчаренко.
В технологическом направлении исследования велись различными путями. Одни авторы (Х.Бауэр, С.Д.Тишин и В.К.Ильин, Ю.Д.Лигский, А.Симонов, М.Н.Ларин и др.) устанавливали зависимость чистоты поверхности только от геометрических факторов (угли и радиусы закругления резцов, диаметры фрез и др.); другие, исследуя экспериментально процесс резания, лишь частично затрагивали вопросы микрогеометрии (И.М.Беспрозванный, В.А.Кривоухов); третьи изучали влияние режима резания, геометрии резца, материала изделия и прочих технологических факторов на микрогеометрию поверхвости (А.И.Исаев, С.П.Семенов, Д.Г.Белицкий, С.А.Поликарпов, М.О.Якобсон и др.).
К этой третьей группе примыкают работы П.Е.Дьяченко, положившего в основу своих формул физические параметры (упругая восстанавливаемость металла), и А.И.Каширина, кроме физических параметров выявившего особую роль вибрационных явлений. Следует отметить и работы А.Н.Еремина. Он доказывает, что, как и все явления, сопровождающие процесс резания, шероховатость поверхности образуется под превалирующим влиянием температуры резания.
Особого внимания заслуживают работы Ю.Г.Шнейдера, в которых показана возможность активного управления формообразованием рельефа поверхности.
Вопрос о связи шероховатости поверхности с её эксплуатационными свойствами безусловно является определяющим при постановке задачи исследования шероховатости вообще. Без его решения всякие толки о шероховатости были бы лишь праздной дискуссией. Важность этого вопроса негативно можно оценить и большим числом выполненных экспериментально-исследовательских и аналитических работ. Еще в 1986 году Г.Шмальц, рассматривая связь микрогеометрии поверхности с ее износом, отмечал, что литература только по этому вопросу "почти не укладывается в какие-либо библиографические рамки".
В 1944 году в СССР была создана специальная Комиссия по качеству поверхности при Институте машиноведения АН СССР и ЦНИИТмам под председательством Э.А.Сателя, сыгравшая большую роль в организации научно-исследовательских работ по проблеме качества поверхности деталей машин. Членами этой комиссии были М.М.Хрущев, А.И.Каширин, С.В.Серенсен, А.И.Исаев, П.Е.Дьяченко, В.М.Кован, М.О.Якобсон, И.С.Штейнберг, Д.Г.Белецкий и другие.
Исследования, проведенные только этими специалистами, касались почти всех важнейших направлений, связанных с эксплуатационными свойствами деталей машин.
Особенно крупные работы были выполнены под руководством П.Е.Дьяченко, заслуга которого в исследовании шероховатости в нашей стране исключительно велика.
Чтобы создать руководящие материалы для конструкторов по выбору оптимальной шероховатости, различными исследовательскими организациями было проведено обследование поверхностей основных деталей машин в различных отраслях промышленности, например, в авиационном моторостроении, в приборостроении, в инструментальном производстве и ряде других. В результате этого в порядке первого приближения были разработаны проекты нормалей на чистоту поверхности отдельных деталей машин в этих отраслях промышленности.
Вопросам связи шероховатости с трением и износостойкостью посвящено большое количество работ П.Е.Дьяченко, И.В.Крагельского, В.А.Кисляка, М.М.Тенненбаума, М.М.Хрущева и ряда других исследователей.
Большая исследовательская работа по качеству поверхности и эксплуатационным свойствам деталей машин была проведена в Ленинградском инженерно-экономическом институте, а в настоящее время проводится в Одесском политехническом институте под руководством А.А.Маталина.
Контактной жесткости посвящены исследования П.Е.Дьячекно, Н.Б.Демкина, Э.В.Рыжова, Я.А.Рудзита и ряда других авторов.
Вопросы усталостной прочности исследованы, например, в работах Д.А.Драйгора, И.В.Дунина-Барноеского, А.А.Маталина, С.В.Серенсена.
На связь микрогеометрии сопрягаемых поверхностей с надежностью посадок указывал еще Г.Шмальц. Особенно велика роль работ по этому вопросу И.В.Дунина-Барковского и А.И.Якушева. Ими разработаны методы расчетов посадок с учетом шероховатости поверхности. Можно также указать на работы А.Б.Корона последовавшего влияние шероховатости посадочных поверхностей на прочность прессовых посадок, и некоторые другие работы.
Основной проблемой функциональной взаимозаменяемости является решение задач повышения качества и удешевления изделий с помощью управления производственной точностью; качеством поверхности и отклонениями эксплуатационных показателей. Взаимозаменяемость по параметрам шероховатости поверхности является важнейшей ее частью,предусмотренной проектом координационного плана научно-исследовательских работ по этой проблеме, подготовленного комиссией в составе А.К.Кутая, И.В.Дунина-Барковского, И.Г.Фридлендера и А.И.Якушева.
Им принадлежат важнейшие программные и исследовательские работы в этой области.
Важность этого нового направления, возникшего на стыке предыдущих, заключается в том, что оно связано с конечной задачей проблемы качества поверхностного слоя - со стандартизацией его параметров.
Разработка основ функциональной взаимозаменяемости поверхностей положит конец дифференцированному изучению проблемы шероховатости, удовлетворительное решение которой возможно только в синтезе аналитических и экспериментальных исследовательских работ при тесном сотрудничества с метрологами.
В заключение краткого обзора следует отметить, что на Международной Ассамблее по стандартизации в 1946 году большие успехи советских ученых в изучении шероховатости поверхностей деталей машин и приборов были должным образом оценены: Ассамблея просила СССР принять на себя разработку международных стандартов по качеству поверхности с учреждением международного секретариата. Это предложение было принято, и в настоящее время СССР возглавляет технический комитет "Качество поверхности" Международной организации по стандартизации (ISO).