2.4 Шорсткість поверхні

Шорсткість поверхні– сукупність нерівностей поверхні з відносно малими кроками на базовій довжині.

Кількісно шорсткість можна оцінити тим або іншим показником. ГОСТ 2789 – 73 передбачає 6 параметрів, що характеризують шорсткість поверхні: 3 висотних R_a, R_z, R_max, 2 шагових S і S_m, а також відносна опорна довжина профілю t_p.

Середнім арифметичним відхиленням профілю Ra називають середнє арифметичне абсолютних значень відхилень профілю в межах базової довжини l (рис. 2)

Рис. 2. Схема до визначення параметрів шорсткості поверхні.

або

;

На профілограмі положення середньої лінії профілю визначають так, щоб площі F з обох боків від неї до контуру були рівні, тобто щоб

або

;

Відносна однорідність мікро нерівностей поверхні деталей дозволяє оцінити шорсткість в даному напрямку за результатами дослідження участка відносно невеликої довжини. Довжину базової лінії, що використовується для виділення нерівностей, характеризуючих шорсткість поверхні, називають базовою довжиною l.

Висота нерівності профілю по 10 точкам Rz являє собою суму середніх абсолютних значень висот по 5 найбільших виступах і глибинах 5 найбільших впадин профілю в межах базової довжини (рис. 2)

,

де y_Pi – висота i- го найбільшого виступу профілю; y_Vi – глибина i- тої найбільшої западини профілю.

Найбільша висота нерівності профілю R_max є повною висотою профілю, тобто відстанню між лінією виступів профілю і лінією впадин профілю в межах базової довжини. Головними показниками шорсткості є R_a і R_z . В ГОСТ 2789 – 73 можна знайти інші показники: S, S_m і t_p.

Профілограма обробленої поверхні, як правило, має зубчасту форму; це є результатом того, що вертикальне збільшення в багато разів більше горизонтального (наприклад, 40000 і 400 відповідно). Іноді здається, що при терті оброблені поверхні зчіплюються своїми кінцями. В дійсності, профіль поверхні має вигляд дещо інший (рис.3)

а)

б)

Рис.3. Профілограма

а) вертикальне збільшення 40 000, горизонтальне 400;

б) дійсний профіль поверхні при однаковому вертикальному та горизонтальному збільшенні.

Окремі поверхні мають похилу форму. Кут між площиною основи виступу профілю і дотичною до його бокової поверхні складає при доводці 1...3, при шліфуванні - 10, при токарній обробці - 20. Найбільш гладкі поверхні мають нерівності висотою порядку 100 міжатомних відстаней.

2.5 Основні поняття та визначення при контактуванні поверхонь

Дві поверхні, що накладаються одна на одну, початково дотикаються у 3-х точках. Під впливом прикладеного навантаження окремі контактуючі нерівності стискаються: через них передається навантаження на хвилястий напівпростір, викликаючи стискання цих хвиль. Під впливом навантаження поверхні зближаються і в контакт входить все більша і більша кількість окремих виступів, одночасно розширяється і площа зминання вершин хвиль. Очевидно, що хвилі, в котрих напруження завжди набагато менші, ніж у виступах шорсткості, деформуються пружно. Щодо виступів, то одна частина деформується пластично, наклепуючись при цьому, друга ж частина деформується пружно. Пружній деформації піддаються тільки ті виступи, в яких напруження не перевищує межі текучості (рис.4).

Ці виступи описують контурну площадку по краях і будуть найбільш короткими в будь-якому її місці.

Після зняття навантаження пружний на півпростір вирівнюється і порушує як пружні, так і пластичні мікро площадки дотику. Лише незначна частина пластично стиснутих виступів залишається в контакті. Досить важливим є те, що для такої форми контакту залишкова площа не характеризує величину площі дотику, що знаходиться у режимі пластичної деформації. Дійсна площа пластичної деформації буде набагато більша остаточної, так як значна частина точок дотику, утворених за рахунок пластично деформованих виступів, порушується при пружному відновленні напівпростору.

У зв’язку з цим розрізняють:

1. Номінальну (геометричну) площу контакту А_а – геометричне місце всіх можливих фактичних площадок контакту; вона окреслена розмірами тіл, що дотикаються.

2. Контурну площу дотику А_с, що являє собою площу, утворену об’ємним зминанням тіл, обумовлених хвилястістю. На контурні площі розташовані фактичні площі дотику. Величина контурної площі залежить як від геометричного окреслення, так і від навантаження.

Рис.4. Профілограми стальної поверхні після токарної обробки після її дотику з плиткою Йогансона (qc (кг/мм²) ­­- контурний тиск).

3. Фактичну (фізичну) площу дотику А_r, що являє собою суму фактично малих площадок контакту тіл. Фактична площа є функцією геометричного окреслення окремої нерівності і припадаючого на неї навантаження . Суттєвою характеристикою фактичної площі є густина контакту, що представляє для нерухомого контакту число плям, припадаючих на 1 см² усієї площі.

Вказані площі схематично зображені на рис.5.

Рис.5. Площі контакту

Рис 6. експериментальні залежності фактичної площі дотику від контурного навантаження для різних металів від контурного навантаження для різних металів (точення IVкл.). 1 - свинець, 2 – кадмій, 3 – магній, 4 – алюміній, 5 – мідь, 6 – сталь 10.

Криві отримані для різних металів при їх контакті зі скляною призмою.

Зразки були виготовлені зі сталі 10 і з технічно чистих металів (Cu, Al, Mg, Cg, Pb) у вигляді циліндрів діаметром 5 мм, на торці яких за допомогою точіння та за допомогою абразивної шкурки наносилась шорсткість. На кожному зразку площа вимірювалась при 6 – 8 навантаженнях, що змінювались в діапазоні від 0 до 10 Кг/мм² . Кожна залежність вивчалась на 4 -6 однакових зразках.

На рис. видно, що залежність досить суттєво відрізняється від лінійної, особливо для таких металів, як Cu і Mg. Залежність можна прийняти за лінійну тільки для невеликих контурних тисків чи малонаклепуючихся матеріалів.

Зміна фактичної площі дотику з навантаженням, як видно, обумовлено розміщенням нерівностей по висоті, їх геометричним окресленням і механічними властивостями, з котрих суттєвими є модуль пружності, _т та характеристики зміцнення матеріалу.

Для вираження площі дотику більш зручними є безрозмірні величини, а саме:

;;

Звісно, що

(1)

Введемо величину відносного зближення

,(2)

Звичайно площа фактичного контакту складає незначну долю від контурної, тому створює інтерес тільки початкова частина кривої опорної поверхні, яку з достатньою ступінню точності можна виразити залежністю

, (3)

де b і ν - константи мікрогеометрії поверхні

Для досліджуваних поверхонь можна використовувати значення коефіцієнтів наведених в таблиці

Вид обробки	ν	b
Точіння, стругання, фрезування	2	1 – 3
Шліфування	3	4 – 6
Полірування	3	5 - 10

На рис.7 вказані типові криві опорних поверхонь отримані експериментально для різних видів обробки.

Точки розраховані по формулі (3). Як видно, розрахунок добре співпадає з експериментом маючи рівняння 3, можна отримати фактичну площу дотику як функцію зближення.

Рис.7. Криві опорних поверхонь побудовані з врахуванням продольної шорсткості для різних видів обробки

1 – поліруванням

2 – шліфування

3 – точінням

а також з’ясувати, яка частина площі дотику знаходиться в режимі пружної деформації.

Для цього необхідно з’ясувати характер деформації одиничної нерівності та виявити умови переходу окремої нерівності в пластичний стан.

Зростання площі дотику по мірі наближення може бути визначене так званою опорною поверхні, яка вперше, на основі профілографи була побудована Абботом. Наявність різноманітної шорсткості у двох перпендикулярних напрямках змушує визначати опорну площу шляхом зняття профілограф в двох взаємно перпендикулярних напрямах і потім перемножити відповідні відрізки.