Под качеством поверхности и поверхностного слоя понимают их свойства, которые формируются в результате воздействия технологических методов обработки. Качество деталей определяется геометрией обработанных поверхностей и физико-механическими характеристиками поверхностного слоя.

К геометрическим показателям качества относят точность размеров, отклонение формы, волнистость, шероховатость. К физико-механическим характеристикам относят микротвердость, остаточные напряжения, структуру, химический состав.

Существенная часть требований к качеству обработки выполняется за счет непрерывного повышения точности изготовления. В зависимости от предельно достижимой точности процессы резания делят на обычные (традиционные, конвенциональные), точные (прецизионные) и чрезвычайно точные (ультрапрецизионные), которые рассматриваются соответственно в макро, микро и нано диапазонах точности. Возможности процессов резания в нанодиапазоне приближаются к критическим, т.к. теоретическим ограничением точности при разделении кристаллической решетки являются размеры молекул или атомов обрабатываемого материала (0,2–0,4 нм).

Существующие реальные процессы резания обеспечивают отклонение в пределах: лезвийная и абразивная обработка –10 мкм; тонкое точение, хонингование, суперфиниш, тонкое шлифование –1 мкм; алмазные и алмазноабразивные процессы –0,1 мкм; ультрапрецизионные процессы резания, шлифование, суперфиниширование, доводка и полирование – 0,01 мкм.

В зоне первичной пластической деформации обрабатываемый материал испытывает сначала упругую, а потом пластическую деформации. Причем нижняя граница зоны стружкообразования пересекает продолжение поверхности резания. То есть, пластическую деформацию испытывают слои металла, оставленные на обработанной поверхности. В результате такой деформации поверхностный слой металла под обработанной поверхностью упрочняется, изменяется его структура и свойства, что приводит к раздроблению зерен металла на мелкие частички, ориентированию зерен в одном направлении (текстура), образованию внутренних напряжений в поверхностном слое. Учитывая образование несрезанных гребешков шероховатости на обработанной поверхности и искажение формы поверхности под действием сил резания и износа инструмента, можно констатировать, что обработка резанием влияет на основные показатели качества обработанной поверхности.

Совокупность выступов и впадин на поверхности детали образует рельеф (макро- и микрогеометрию). Профиль макро- и микрогеометрии поверхности характеризуется высотой H и шагом S (рис. 7.1). Условная классификация погрешностей такая: S/H>1000 – отклонения формы поверхности; 1000>S/H>40 – волнистость поверхности; S/H<40 – шероховатость. Погрешности формы, волнистость и шероховатость поверхностей влияют на эксплуатационные и технологические показатели изделий (неравномерность припусков, удельного давления, зазоров, натягов, трение и т.п.).

Отклонением формы называется отклонение реальной поверхности (ограничивающей тело и отделяющей его от окружающей среды) от формы номинальной поверхности. Под номинальной понимается идеальная поверхность, форма которой задана чертежом.

При рассмотрении отклонений формы, например, цилиндрических поверхностей валов (ДСТУ 2498-94) различают отклонения формы в поперечном и продольном сечениях.

В продольном сечении отклонение формы может быть в виде конусности (а), бочкообразности (б) и седлообразности (в) (рис. 7.2).

Погрешности формы цилиндрических деталей (валов) есть следствие деформации заготовки или элементов системы СПИЗ под действием составляющей силы резания P_y. Она зависит от соотношения величин жесткости суппорта станка, передней и задней бабки и обрабатываемой заготовки. Причины появления отклонений формы в продольном сечении следующие.

1. Форма вала будет иметь бочкообразность, если деформация (прогиб) обрабатываемой заготовки будет значительно больше (вследствие малой жесткости), чем передней и задней бабок станка.

2. Форма вала будет иметь седлообразность, если деформация (прогиб) обрабатываемой заготовки будет значительно меньше, чем деформации передней и задней бабок станка.

3. Форма вала будет иметь конусообразность, если деформация одной бабки будет большей, чем другой или, если при продольном точении вала резец будет интенсивно изнашиваться в радиальном направлении.

В поперечном сечении это отклонение от круглости (рис. 7.3), частными случаями являются овальность и огранка.

Отклонение от круглости возникает при недостаточной жесткости системы СПИЗ и появлении вибраций.

Волнистость поверхности (см. рис. 7.1) также относится к отклонениям формы. При измерении отклонений формы и волнистости величины шероховатостей в расчет не принимаются.

Шероховатость поверхности в сочетании с другими ее характеристиками (цветом поверхности, степенью отражательной способности) является наряду с точностью формы одной из основных характеристик ее качества. Шероховатость поверхности оценивается по неровностям профиля (рис. 7.4), получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью (обычно в нормальном сечении к направлению шероховатости).

Согласно ГОСТ 2789-73 шероховатость определяется следующими параметрами:

R_a – среднее арифметическое отклонение профиля;

R_z – высота неровностей профиля по десяти точкам;

R_max – наибольшая высота неровностей профиля;

S_m – средний шаг неровностей по средней линии;

S – средний шаг неровностей по вершинам;

t_p – относительная опорная длина профиля, где р – значение уровня сечения профиля.

В ряде случаев большое значение имеет направление неровностей на обработанной поверхности детали, которое устанавливается в технических условиях и обозначается на чертежах.

На эксплуатационные показатели поверхности детали оказывают влияние и другие параметры шероховатости, не предусмотренные ДСТУ (ГОСТ): радиусы закругления вершин и впадин, углы наклона образующих неровностей и др. Но в большинстве случаев достаточно знание только одного параметра R_a или R_z. Шероховатость обработанной поверхности характеризуется высотой и формой микронеровностей. При ее изучении принято рассматривать расчетные неровности и действительные.

Наростообразование резко ухудшает шероховатость поверхности из-за неустойчивого состояния нароста. На обработанной поверхности остаются задиры и частички разрушенного нароста. Поэтому для улучшения шероховатости поверхности необходимо изменять условия резания с целью снижения наростообразования или выхода из температурной зоны, где оно происходит.

Скорость резания на высоту неровностей влияет по-разному в зависимости от того, склонен или нет обрабатываемый материал к наростообразованию. Если материал не склонен к наростообразованию, то по мере увеличения скорости резания высота неровностей непрерывно уменьшается. Это связано с уменьшением объема пластической деформации и среднего коэффициента трения. Влияние скорости резания в этом случае не особенно сильно, и ее нужно увеличить в десятки раз, чтобы получить ощутимое снижение шероховатости обработанной поверхности.

Если материал склонен к наростообразованию, то высота неровностей находится в прямой зависимости от высоты нароста. При увеличении скорости резания высота нароста растет, и из-за этого растет высота неровностей, достигая максимума при наибольшем развитии нароста. Дальнейшее увеличение скорости сопровождается уменьшением нароста, R_z также уменьшается. При дальнейшем увеличении скоростях резания нарост исчезает, влияние скорости проявляется в чистом виде и высота неровностей непрерывно уменьшается. Таким образом, для получения низкой шероховатости обработанной поверхности необходимо работать со скоростями резания (температурными условиями), большими, чем скорость, соответствующая исчезновению нароста, или меньшими, когда он еще не появился.

Увеличение шероховатости с ростом подачи объясняется увеличением высоты расчетных неровностей и остаточного сечения срезаемого слоя.

Глубина резания (ширина срезаемого слоя) на высоту неровностей значительного влияния не оказывает.

Изнашивание инструмента в большинстве случаев также приводит к росту высоты микронеровностей из-за увеличения коэффициента трения на задней поверхности и пластических деформаций металла при его контакте с площадкой износа на задней поверхности.

На шероховатость обработанной поверхности существенное влияние оказывает жесткость технологической упругой системы резания. Известно, что шероховатость резко увеличивается в связи с возникновением вибраций в процессе обработки.

Тонкий поверхностный слой деталей машин имеет иные механические, физические и химические свойства и напряженное состояние, чем в глубинной части металла. Глубина поверхностного слоя в зависимости от вида обработки находится в пределах от нескольких десятитысячных до сотых и десятых долей миллиметра и оказывает большое влияние на работоспособность деталей машин. Отличие свойств тонких поверхностных слоев от свойств сердцевины обусловлено суммарным влиянием механических, тепловых и физико-химических воздействий на поверхность металла при обработке резанием.

При резании пластичных материалов под действием силовых нагрузок в зоне стружкообразования и на площадке контакта с задней поверхностью происходят интенсивные пластические деформации, которые вызывают наклеп обработанной поверхности, за счет чего она упрочняется, повышается ее микротвердость и снижается пластичность. Одновременно с упрочнением в результате выделенного при пластической деформации тепла в материале происходят процессы отпуска, вызывающие явление снижения твердости и разупрочнения.

Конечное состояние поверхностного слоя определяется соотношением процессов упрочнения и разупрочнения, зависящих от преобладания в зоне резания силового или теплового фактора. В связи с этим всякое изменение режимов резания, вызывающее увеличение усилий резания и степени пластической деформации, ведет к повышению степени наклепа. Увеличение продолжительности их воздействия на поверхностный слой приводит к увеличению глубины распространения наклепа.

Изменение режимов, приводящее к увеличению количества теплоты в зоне резания и увеличивающее продолжительность теплового воздействия, усиливает интенсивность отпуска, снимающего наклеп поверхностного слоя.

При обработке деталей в результате действия высоких температур в поверхностном слое могут происходить структурные изменения, которые приводят к вторичной закалке и образованию поверхностного слоя повышенной твердости по сравнению с основной структурой металла. С другой стороны, при обработке закаленных металлов под действием температур могут происходить процессы отпуска, снижающие исходную твердость материала.

Шероховатость оказывает большое влияние на износостойкость контактируемых деталей. Установлено, что для каждой пары трущихся поверхностей существует оптимальная величина шероховатости, которая зависит от условий нагружения контакта. В случаях, когда исходная шероховатость больше оптимальной, в процессе эксплуатации некоторое время (время приработки) наблюдается повышенный износ контактирующих поверхностей до тех пор, пока шероховатость не достигает оптимальной величины и топографии, соответствующей минимальной интенсивности изнашивания.