Шероховатость поверхности: что это и как её измеряют

Поверхность детали выглядит гладкой невооружённым глазом. Под микроскопом — это сложный рельеф: гребни, впадины, неровности разного масштаба. Именно этот микрорельеф и есть шероховатость. Наряду с материалом, нагрузкой и режимом работы она существенно влияет на герметичность уплотнений, сцепление покрытий с основой и долговечность пары трения — двух деталей, работающих в скользящем контакте.

В этой статье разбираем, что такое шероховатость поверхности, какими параметрами её описывают, как она измеряется и правильно обозначается на чертеже.

Что такое шероховатость поверхности

Шероховатость — самая мелкая из составляющих геометрии поверхности, при этом именно она чаще всего определяет функциональные свойства детали. При анализе поверхность делят на три компонента: грубую форму, волнистость и собственно шероховатость — каждый описывает неровности разного масштаба. 

В современных стандартах прописана методика математического разделения этих составляющих, чтобы оценивать каждую независимо. ГОСТ 2789-73 устроен иначе: в нём параметры оценивают на участке заданной длины без разделения на шероховатость и волнистость, поэтому при переходе к международной методике эту длину сопоставляют с настройками прибора и при необходимости пересчитывают параметры.

Шероховатость существенно влияет на поведение поверхности при работе. Неровности — наряду с вязкостью масла, скоростью и нагрузкой — влияют на то, как именно трутся поверхности. На правильно обработанной поверхности масло удерживается в микровпадинах, и деталь работает с минимальным износом. На слишком грубой — смазки не хватает и начинается интенсивное трение с ускоренным износом.

Требования к шероховатости поверхности зависят от назначения детали. Например:

• Уплотнительное кольцо — высота пиков зависит от давления, режима работы и материала уплотнения. Конкретные значения прописывают в конструкторской документации со ссылкой на применяемый отраслевой регламент. 

• Прецизионная оптика — для высокоточных компонентов требуется очень гладкая поверхность: шероховатость на порядок ниже, чем при обычном шлифовании. Конкретные нормы задают в зависимости от длины волны и назначения оптики.

• Деталь под покрытие — оптимальная шероховатость зависит от типа покрытия и технологии нанесения. Конкретный диапазон Ra задают в технической документации или требованиях производителя покрытия.

Какие параметры описывают шероховатость

Параметры шероховатости поверхности отражают разные стороны микрорельефа, и единого числа, которое характеризует поверхность полностью, не существует. Поэтому стандарты описывают целые наборы показателей. В ISO 21920-2 их 37: параметры для оценки профиля — то есть разреза поверхности в одной плоскости — сгруппированы по тому, что именно характеризуют: высоту неровностей, расстояние между ними или характер их распределения. ГОСТ 2789-73 сохраняет исторически сложившийся набор — Ra, Rz, Rmax, а также Sm (шаг неровностей) и tp (материаловая доля) — и устанавливает Ra как предпочтительный параметр.

Параметр Ra

Ra — средняя высота неровностей: прибор измеряет, насколько каждая точка поверхности отклоняется от воображаемой оси симметрии профиля — вверх или вниз — и усредняет все эти отклонения в одно число.

Главный минус Ra — он не замечает одиночные глубокие царапины или резкие выступы. Они растворяются в общем среднем, и Ra может не показать реальную проблему. Поэтому в ответственных применениях Ra дополняют параметром Rz (о нём подробнее в следующем разделе), который фиксирует наиболее выраженные пики и впадины.

Справочные диапазоны Ra при обычных режимах обработки (значения зависят от режимов и материала):

• черновое точение — Ra 3,2–6,3 мкм; 

• чистовое точение — Ra 0,8–1,6 мкм, в отдельных случаях до 0,4 мкм;

• шлифование — Ra 0,1–0,8 мкм; 

На итоговое значение Ra влияет не только обработка, но и главная настройка прибора — длина λc, которая определяет, где заканчивается шероховатость и начинается волнистость. На многих профилометрах её подбирают автоматически по ожидаемому диапазону Ra. Стандартная таблица содержит значения λc: 

• 0,08 мм;

• 0,25 мм; 

• 0,8 мм; 

• 2,5 мм;

• 8 мм.

На ряде приборов доступно также 25 мм для крупногабаритных поверхностей. Менять настройку вручную стоит только если для этого есть конкретная причина.

Параметр Rz

Ra усредняет все неровности — и большие, и малые. Rz устроен иначе: он фокусируется именно на самых выраженных.

Специальный прибор — профилометр делит путь измерения на отрезки одинаковой длины — как правило, пять. На каждом отрезке находит расстояние от самого высокого пика до самой глубокой впадины, а затем усредняет эти результаты. Итоговое число показывает, насколько велики самые выраженные неровности — в отличие от Ra, это не среднее по всей поверхности.

Важный нюанс: по п. 2.2 ГОСТ 2789-73 Rz — это среднее из пяти наивысших пиков и пяти наиглубочайших впадин, то есть «высота по 10 точкам». Международная методика использует другой алгоритм расчёта. Если на чертеже написано «Rz 20» без указания стандарта — разные приборы и методики дадут разные цифры. Поэтому версию стандарта необходимо прописывать в документации, особенно в международной кооперации.

Для уплотнений и наплавки (нанесения металла на изношенную поверхность) Rz важнее Ra: именно острые пики повреждают резиновые и полимерные уплотнители при сборке. При этом Rz всегда превышает Ra — это следствие самого определения: Ra не может быть больше половины Rz. Соотношение между ними варьирует в зависимости от характера неровностей и метода обработки, поэтому использовать один параметр вместо другого без пересчёта нельзя.

Прочие параметры

Кроме Ra и Rz, в стандартах определены дополнительные характеристики — они нужны там, где двух основных параметров недостаточно для описания функциональных требований:

• Rzx — самый высокий пик минус самая глубокая впадина на всём измеряемом участке. Прежнее обозначение Rmax до сих пор встречается в документации. Нужен там, где важно контролировать одиночные дефекты.

• RSm — средний шаг между соседними неровностями профиля. Важен для резьбовых соединений и поверхностей, работающих под нагрузкой.

• Rmr (материаловая доля) — показывает, сколько процентов поверхности реально соприкасается с ответной деталью, если мысленно срезать верхушки всех пиков на определённую глубину. Используется для направляющих.

• Sa, Sz — трёхмерные аналоги Ra и Rz из ISO 25178. Применяются когда важно оценить всю площадь поверхности, а не один разрез, например при анализе текстуры покрытий.

• Sq — среднеквадратичный аналог Ra. Востребован в оптике для зеркал и лазерных систем.

• Sdr — показывает, насколько реальная площадь поверхности больше идеально плоской. Применяется при оценке поверхности медицинских имплантов.

Как определить шероховатость поверхности детали профилометром

Для измерения шероховатости применяют профилометры. Разберём принципы работы устройства, как им пользоваться и какие виды бывают. 

Принцип работы профилометра

Стилус движется вдоль поверхности с постоянной скоростью и фиксирует вертикальные отклонения. Прибор обрабатывает сигнал и применяет два фильтра — коротковолновый и длинноволновый, которые обозначают греческой буквой λ (лямбда): короткий фильтр λs отсекает мелкие помехи — электронный шум, следы от самой иглы и другие несущественные для измерения составляющие. Длинный фильтр λc отделяет шероховатость от волнистости. В результате остаётся только картина шероховатости, по которой рассчитываются заданные параметры. Значение λc выбирают по таблице ISO 4288 исходя из ожидаемого диапазона Ra. Часть приборов предлагает режим автоподбора.

Где и как измерять

Результат зависит не только от прибора, но и от места и направления измерения:

• При однонаправленной текстуре — точение, фрезерование — стилус ведут поперёк следов обработки. Вдоль рисок прибор практически не замечает неровностей, поперёк — видит их в полную величину. 

• При шлифовании, пескоструйной обработке или хонинговании (финишной обработке абразивными брусками, оставляющими перекрёстный след) следы не имеют выраженного направления — такую текстуру называют изотропной. В этом случае направление менее критично. Нередко проводят два измерения в перпендикулярных направлениях и усредняют результат.

Измерять шероховатость нужно в функциональной зоне — там, где деталь реально работает: на посадочном диаметре (поверхность, по которой деталь сопрягается с другой), торце уплотнения, направляющей поверхности. Замер вблизи фаски или на участке, который при финишной обработке будет снят, не отразит реальной картины.

На заметку. Одного замера недостаточно: шероховатость неоднородна даже на одной детали. Проверяют минимум три позиции в функциональной зоне — там, где ожидаются наибольшие значения параметра.

Разновидности профилометров по назначению

Профилометры делятся на портативные и стационарные. 

• Портативные. Прикладывают прямо к детали на рабочем месте — без демонтажа и переноски. Подходят для текущего контроля на производстве: после каждого прохода, при настройке станка, при входном контроле заготовок. Внутри этой группы есть модели с базовым набором параметров (Ra, Rz и несколько других) и более широким — для задач, где нужны дополнительные характеристики профиля.

•Стационарные. Устанавливают на гранитном основании в лаборатории или на измерительном участке. Деталь подносят к прибору. Обеспечивают более высокую точность и воспроизводимость результата — за счёт виброизоляции и жёсткой фиксации датчика. Подходят для ответственных измерений, поверки и аттестации.

Все указанные виды приборов — контактные с алмазной иглой. Это износостойкий щуп, который даёт стабильные результаты на большинстве материалов.

Как шероховатость поверхности обозначают на чертеже

Обозначение шероховатости на чертежах регламентирует ГОСТ. Базовый символ выглядит как «крючок» и имеет три варианта:

• Без полки (просто крючок) — способ обработки не регламентируется. Значение параметра при необходимости указывают рядом.

• С полкой (горизонтальная черта поверх крючка) — поверхность должна быть образована только удалением материала.

• С кружком (кружок в основании крючка) — удаление материала не допускается. Поверхность получают без съёма (литьё, прессование и т. п.).

После символа указывают параметр и его значение: «Ra 0,4» или «Rz 50». Если нужно задать и верхнюю, и нижнюю границу шероховатости, значения записывают в две строки. Если направление следов обработки важно для функции детали, рядом с символом добавляют буквенное обозначение:

• ∥ — следы обработки параллельны краю детали на чертеже;

• ⟂ — перпендикулярны;

• X — угловой (перекрёстный) рисунок;

• M — многонаправленный;

• C — круговой;

• R — радиальный;

• P — беспорядочный.

Когда настройка λc отличается от стандартной, её указывают явно — до или после значения параметра: «λc 0,8/Ra 0,8» или «Ra 0,8/λc 0,8».

Отдельный вопрос — правила приёмки при контроле. По старым стандартам допускалось, чтобы до 16 % замеров выходили за указанный предел — если в обозначении нет пометки max. Пометка max означает, что ни один замер не должен превышать норму. В актуальных стандартах правило изменено: теперь жёсткий критерий действует по умолчанию, при котором любое превышение ведёт к отклонению. Чтобы сохранить старый подход, в обозначении параметра на чертеже явно добавляют пометку «16 %» — например, «Ra 16% 0,8».

При оформлении нередко допускают две ошибки:

• Первая — не указывать λc, когда она отличается от стандартной. 

• Вторая — смешивать параметры разных стандартов: Rz по ГОСТ рассчитывается по 10 точкам, а по международной методике — иначе, поэтому при одном обозначении разные приборы могут дать разные числа. 

Версию стандарта нужно указывать явно — в технических условиях или прямо на чертеже.

Какие классы чистоты поверхности существуют

Исторически в СССР применялась шкала по ГОСТ 2789-59: от грубого литья до прецизионной оптики. С принятием ГОСТ 2789-73 эта шкала была отменена — в действующем стандарте прописаны только числовые значения параметров (Ra, Rz, Rmax и другие) без разбивки на ступени. На современных чертежах указывают именно числовое значение Ra или Rz. Ссылки на старую шкалу до сих пор встречаются в документации советского периода.

Достижимый диапазон Ra определяется методом обработки — приведённые ниже значения справочные и зависят от режимов и материала:

• литьё в песчаную форму — Ra 12,5–25 мкм, при особо грубых операциях возможно до 50 мкм;

• точение — Ra 0,4–6,3 мкм в зависимости от режима;

• фрезерование — Ra 0,8–6,3 мкм;

• шлифование — Ra 0,2–0,8 мкм;

• полировка — Ra 0,05–0,2 мкм, при доводке (лэппинге — обработке абразивной суспензией) возможны значения ниже 0,05 мкм.

Чем тоньше требуемая обработка, тем выше её стоимость — поэтому нужный уровень шероховатости следует обосновывать функцией детали. При необходимости на чертеже указывают одновременно Ra и Rz: дополнительные параметры проверяются только если они предписаны в технических условиях (ТУ) или в разделе контроля чертежа.

Использование контроля шероховатости

Контроль шероховатости — не разовая операция, а система проверок на протяжении всего цикла обработки: после грубого прохода, после чистовой обработки и перед нанесением покрытий.

Регулярный контроль даёт практические результаты. Если Rz растёт от замера к замеру — это сигнал износа инструмента: относительный рост на 20–30 % нередко используют как ориентир для замены режущей пластины (сменной вставки инструмента) до появления брака. 

Мониторинг в целом помогает вовремя заметить любые отклонения — смещение настроек станка, изменение режимов резания. Переход от оценки поверхности «на глаз» к нормированному Ra позволяет избежать избыточной обработки: конкретная экономия зависит от диапазона Ra и типа операции и определяется на каждом предприятии отдельно.

Часто задаваемые вопросы

Чем шероховатость отличается от волнистости? 

Оба понятия описывают отклонения поверхности от идеальной плоскости, но имеют разный масштаб. Волнистость — крупные периодические отклонения, которые возникают, например, из-за вибрации станка или небольшого смещения оси вращения шпинделя. Шероховатость — более мелкий рельеф, образованный непосредственно режущим инструментом. Разграничение задаёт настройка λc: всё, что крупнее этого порога, относят к волнистости, всё мельче — к шероховатости.

Можно ли измерять шероховатость на детали, не снимая её со станка или оснастки? 

Да, если позволяет конструкция прибора. Ряд портативных контактных профилометров рассчитан на работу непосредственно на рабочем месте — производители указывают такую возможность в паспорте. Это позволяет проводить промежуточный контроль без демонтажа и транспортировки детали.

Нужно ли готовить поверхность перед измерением? 

Да. Загрязнения, масло, стружка и пыль искажают результат — стилус считывает их наравне с реальными неровностями поверхности. Перед измерением поверхность протирают чистой безворсовой салфеткой, при необходимости обезжиривают. 

Что такое мера шероховатости и зачем она нужна? 

Для работы с профилометром используют два типа эталонов. Профильные меры — образцы с официально подтверждёнными значениями Ra и Rz — применяют для поверки и калибровки прибора: если показания совпадают с паспортными данными, профилометр настроен корректно. Образцы сравнения служат только для быстрой визуальной оценки поверхности без прибора и для поверки не подходят.

Заключение

Шероховатость — параметр, который наряду с нагрузкой, материалом и условиями смазки влияет на ресурс детали, надёжность уплотнений и качество покрытий. Грамотный выбор Ra и Rz на этапе проектирования, правильное обозначение на чертеже и систематический контроль профилометром помогают снизить риск отказов и себестоимость обработки.