Шероховатость поверхности: параметры Ra и Rz, классы и обозначение на чертеже

Что такое шероховатость поверхности

Даже зеркальная на вид поверхность под микроскопом состоит из выступов и впадин — следов резца, зёрен шлифовального круга, отпечатков литейной формы. Шероховатость поверхности — совокупность этих неровностей с относительно малыми шагами, которую оценивают на определённом участке — базовой длине. Термины задаёт ГОСТ 25142-82, параметры и числовые значения — ГОСТ 2789-73.

Шероховатость отличают от двух других видов неровностей. Волнистость — более крупные и пологие волны с шагом в миллиметры, они появляются от вибраций станка и биения инструмента. Отклонения формы — овальность, конусность, неплоскостность — относятся ко всей поверхности целиком. Разделяет их именно базовая длина: всё, что укладывается в неё многократно, — шероховатость. Стандартные базовые длины — 0,01; 0,03; 0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8 и 25 мм: чем грубее поверхность, тем длиннее участок.

От шероховатости зависят износ трущихся деталей, прочность прессовых соединений, герметичность стыков, усталостная прочность (впадины работают как надрезы), коррозионная стойкость и сцепление покрытия с основой. Поэтому её указывают на чертеже так же, как размеры.

Перевести Rz в Ra, Ra в Rz или класс чистоты по значению с чертежа — в переводчике шероховатости: введите Ra 3,2, Rz 40 или ∇7, результат появится сразу.

Параметры шероховатости по ГОСТ 2789-73

Стандарт устанавливает шесть параметров. Все они отсчитываются от средней линии профиля — линии, которая делит профиль так, что сумма квадратов отклонений от неё наименьшая.

• Ra — среднее арифметическое отклонение профиля, мкм: среднее расстояние точек профиля от средней линии на базовой длине. Значения — от 0,008 до 100 мкм. Ra — предпочтительный параметр: его надёжно измеряет любой профилометр.
• Rz — высота неровностей профиля по десяти точкам, мкм: сумма средних высот пяти наибольших выступов и средних глубин пяти наибольших впадин. Значения — от 0,025 до 1600 мкм.
• Rmax — наибольшая высота профиля, мкм: расстояние между линией выступов и линией впадин на базовой длине.
• Sm — средний шаг неровностей, мм: среднее расстояние между неровностями по средней линии.
• S — средний шаг местных выступов, мм: то же по вершинам выступов.
• tp — относительная опорная длина профиля, %: какая доля базовой длины придётся на материал, если срезать выступы на уровне p. Показывает, насколько поверхность будет нести нагрузку и удерживать смазку.

Высотные параметры Ra, Rz и Rmax указывают почти на каждом чертеже. Шаговые Sm и S и опорную длину tp назначают для ответственных поверхностей трения, уплотнений и деталей под окраску.

Ra и Rz: в чём разница

У одной и той же поверхности Rz примерно в 4–5 раз больше Ra: Ra 6,3 соответствует Rz около 25, Ra 1,6 — Rz около 8. Это ориентир, а не формула: у поверхности с острыми редкими пиками соотношение будет больше, у ровной с частыми мелкими неровностями — меньше.

Классы шероховатости поверхности: таблица

До 1973 года шероховатость обозначали классами чистоты по ГОСТ 2789-59 — треугольником с номером: ∇5, ∇7, ∇9. Действующий ГОСТ 2789-73 классы не применяет, но сохраняет их в справочном приложении, а на старых чертежах и в разговоре они встречаются до сих пор. Классов 14: с 1-го по 5-й их определяли по Rz, с 6-го по 12-й — по Ra, 13-й и 14-й — снова по Rz.

Последняя колонка — значение Ra из ряда ГОСТ, которым класс обычно заменяют при переводе старого чертежа: ∇6 → Ra 1,6, ∇7 → Ra 0,8, ∇8 → Ra 0,4. С 6-го класса стандарт делил классы ещё на разряды «а», «б» и «в»: ∇7а, ∇7б, ∇7в — это три участка внутри интервала Ra от 1,25 до 0,63 мкм.

Шероховатость по видам обработки металла

Каждая операция оставляет свой след: резец — винтовые гребешки, фреза — дуги, шлифовальный круг — множество мелких рисок. Поэтому шероховатость на чертеже почти однозначно задаёт последнюю операцию. Диапазоны по справочникам технолога-машиностроителя:

Нижняя граница каждого диапазона достигается на хорошем станке, острым инструментом и на удобном материале. Вязкие нержавеющие стали, медь и алюминий налипают на резец и дают поверхность на класс грубее, чем углеродистая сталь при той же операции. На шероховатость после лазерной резки сильнее всего влияет толщина листа: на тонком металле кромка получается гладкой, на толстом появляются характерные бороздки.

В технопарке ЗЭМ посадочные поверхности после токарной и фрезерной обработки доводят шлифованием с подачей 0,0005 мм. Электроэрозионная обработка после чистовых проходов даёт шероховатость до Ra 0,06 мкм на закалённых сталях и твёрдых сплавах, зубчатые колёса нарезают с шероховатостью зуба Ra 1,25, а отливки под давлением получаются с поверхностью не грубее Rz 40. Подробнее об оборудовании — на странице механической обработки металла.

Обозначение шероховатости на чертеже

Обозначения шероховатости устанавливает ГОСТ 2.309-73. Знак ставят на линии контура, на выносной линии или на полке линии-выноски, вершиной к поверхности. Форма знака показывает, как получать поверхность:

• Параметр пишут вместе со значением: Ra 0,8, Rz 40. До изменения № 3 стандарта, вступившего в силу в 2003 году, Ra писали одним числом, без символа, — так оформлены многие действующие чертежи, и «0,8» над знаком на них означает именно Ra.
• Диапазон указывают двумя значениями в две строки: сверху наибольшее, снизу наименьшее. Одно значение — это наибольшее допустимое: Ra 1,6 значит «не грубее 1,6».
• Базовую длину пишут только если она отличается от стандартной для этого значения по ГОСТ 2789-73.
• Знак в правом верхнем углу чертежа — шероховатость всех поверхностей, на которых она не указана. Если за ним в скобках стоит знак без значения, это читается как «остальные поверхности»: часть из них обозначена на изображении отдельно.
• Знак с окружностью без значения — поверхность по этому чертежу не обрабатывают, она остаётся в состоянии поставки: литьё, прокат, поковка.

Как выбрать шероховатость поверхности детали

Шероховатость назначают по назначению поверхности и по допуску её размера. Для точного размера справочники конструктора дают простое правило: при нормальной точности формы Ra — не больше 5 % допуска размера. Отверстие Ø40H7 имеет допуск 25 мкм, отсюда Ra не грубее 1,25 — на чертеже ставят Ra 0,8 или 1,25. Как устроены допуски и квалитеты, разобрано в статье «Допуски и посадки».

Значение выбирают из ряда ГОСТ 2789-73, лучше из предпочтительных: 12,5; 6,3; 3,2; 1,6; 0,8; 0,4; 0,2. Под них настроены технологические нормативы и образцы шероховатости, и деталь с таким требованием проще изготовить и принять.

Шероховатость поверхности под гальваническое покрытие

Гальваническое покрытие толщиной в несколько микрометров повторяет рельеф основы: на грубой поверхности никель и хром не дадут блеска, а во впадинах слой получается тоньше, и коррозия начинается именно там. ГОСТ 9.301-86 ограничивает шероховатость основного металла перед покрытием:

• под защитные покрытия — Rz не более 40 мкм;
• под защитно-декоративные покрытия — Ra не более 2,5 мкм;
• под твёрдые и электроизоляционные анодно-окисные покрытия — не грубее Ra 1,25 мкм.

Поэтому шероховатость под покрытие указывают на чертеже до покрытия, а если важна поверхность готовой детали — отдельно оговаривают шероховатость после покрытия. Подготовку поверхности и сами покрытия выполняют на участке гальванических покрытий технопарка — в одном маршруте с механической обработкой.

Измерение и контроль шероховатости

• Профилометры и профилографы по ГОСТ 19300-86 — основной способ. Алмазная игла с радиусом острия в несколько микрометров проходит по поверхности поперёк следов обработки, прибор строит профиль и считает Ra, Rz, Rmax. Длину трассы выбирают по базовой длине: для Ra 0,8 это 0,8 мм на каждый участок.
• Образцы шероховатости по ГОСТ 9378-93 — наборы пластин с известной шероховатостью для каждого вида обработки. Деталь сравнивают с образцом на глаз и проводя ногтем по поверхности. Метод быстрый и дешёвый, но надёжен примерно до Ra 0,8–1,6 и только при одинаковом способе обработки детали и образца.
• Оптические приборы — двойной микроскоп для средних значений Rz, микроинтерферометр для очень чистых поверхностей с Ra 0,1 и меньше. Ими же проверяют мягкие и тонкие покрытия, которые игла может поцарапать.

На производстве контроль шероховатости встроен в работу участка: первую деталь партии проверяет ОТК, дальше качество поверхности держат режимом резания, стойкостью инструмента и правкой шлифовального круга. Затупленный резец или засаленный круг сразу ухудшают Ra, поэтому при выборе маршрута технолог учитывает материал детали, жёсткость станка и требования чертежа.

Измеряют там, где шероховатость наибольшая, и в направлении, дающем наибольшее значение, — обычно поперёк следов резца или круга. Если направление в требованиях не оговорено, по ГОСТ 2789-73 шероховатость оценивают именно так.

Ошибки при назначении шероховатости

• Одна чистота на всю деталь. Ra 0,8 в углу чертежа превращает каждую поверхность в шлифованную. Точная шероховатость нужна только на сопрягаемых и трущихся поверхностях, остальным достаточно Ra 6,3–12,5.
• Шероховатость без связи с допуском. При Ra 6,3 высота неровностей сравнима с допуском 7-го квалитета, и размер Ø40H7 станет невозможно ни выдержать, ни измерить. Проверяйте правилом 5 % от допуска.
• Ra вместо Rz там, где важны впадины. Под уплотнения и тонкие покрытия опасны отдельные глубокие риски, а Ra их сглаживает. В таких местах добавляют Rz или Rmax.
• Старое обозначение без перевода. ∇7 на старом чертеже — это Ra 0,8, а не Ra 7 и не Rz 7. Перед заказом по архивной документации классы переводят в Ra по таблице выше.
• Шероховатость без учёта покрытия и термообработки. После закалки и цинкования поверхность меняется: окалина, коробление, слой покрытия. Если важна шероховатость готовой детали, шлифование ставят после термообработки, а значение до и после покрытия указывают отдельно.