Микрогеометрия и ее оптимизация

Как известно микрогеометрия поверхности есть отклонение реальной поверхности от идеальной с относительно малыми шагами. Известно также, что микрогеометрия существенно влияет на два десятка эксплуатационных свойств поверхности.  

Это практически означает, что нормировать (задавать на чертеже микрогеометрию) имеет смысл только для тех свойств поверхности, на которые она существенно влияет и, что еще более важно, нормировать нужно не любую микрогеометрию, а наилучшую для интересующего нас эксплуатационного свойства поверхности. Реальная оптимизация микрогеометрии возможна, при выполнении следующих условий:

• нужно знать оптимальную микрогеометрию для конкретного свойства поверхности;
• при нормировании нужно точно описать эту оптимальную микрогеометрию;
• нужно знать методы и режимы обработки, обеспечивающие заданную микрогеометрию;
• нужно уметь быстро, надежно и экономично контролировать соответствие полученной микрогеометрии с заданной.

Традиционные источники повышения качества изделий, к которым относятся повышение точности при изготовлении и ремонте и использование конструкционных материалов с улучшенными свойствами, почти исчерпаны и сопряжены с сильно возрастающими экономическими затратами и техническими сложностями. Предлагаемые методы оптимизации микрогеометрии функциональных поверхностей и технологических остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей не только не требуют повышения затрат на изготовление и ремонт изделий, но во многих случаях обеспечивают их снижение при значительном повышении качества изделий. Снижение затрат при оптимизации указанных выше характеристик объясняется тем, что ее отсутствие чаще всего сопровождается не обоснованно завышенными требованиями к этим характеристикам. Продолжать игнорировать возможности этой оптимизации - непозволительная для нас роскошь. Например, наши исследования долговечности роликовых направляющих позволили только за счет оптимизации микрогеометрии повысить ресурс этих направляющих в 2 раза.
Уже давно доказано влияние микрогеометрии поверхностей на два десятка их функциональных свойств. Но если какой-либо фактор существенно влияет на интересующее нас функциональное свойство, то нужно нормировать не какое-нибудь значение этого фактора, а наилучшее для данного функционального свойства.
Значимость микрогеометрии поверхностей деталей общепризнана, иначе не было бы обязательного ее нормирования для всех без исключения поверхностей. Но эта крайность сродни глупости. Ведь при 100%-ном нормировании технолог обязан эти нормы обеспечивать, а контролер - контролировать. Но зачем это делать для нефункциональных поверхностей или, если влияние микрогеометрии на интересующее нас функциональное свойство не установлено Повышение качества изделий - требование вечное. Два традиционных источника этого - повышение точности изготовления и использование новых, более качественных материалов - почти исчерпаны.
На рис.10.1 показана кривая, отражающая зависимость стоимости изготовления или ремонта изделия от точности его изготовления.

Рис.10.1 Зависимость стоимости изготовления или ремонта изделия от точности его изготовления.

Как видно из рисунка, мы достигли такого рубежа, когда малейшее увеличение точности резко повышает стоимость изготовления. Со вторым источником пока тоже проблематично. Маловероятно, что мы в ближайшее время на Земле найдем материалы, по количеству сопоставимые с железом и известными цветными металлами, а по качеству существенно их превосходящие.
Уже давно и убедительно доказана бесперспективность параметрического подхода к оценке микрогеометрии поверхностей для ее оптимизации.
Достаточно посмотреть на два профиля, изображенных на рис. 2, для которых все стандартные параметры, кроме tp на конкретном уровне, абсолютно одинаковы, а неодинаковость эксплуатационных свойств этих микрорельефов очевидна. Что касается параметра tp, то для достаточно полного описания этих и любых других профилей его нужно задать на 10-15 уровнях, и мы упираемся в уже знакомую стенку.

Рис.10. 2 Профили двух зеркально противоположных поверхностей.

Предложен принципиально новый подход к оценке и контролю микрогеометрии поверхностей деталей, названный непараметрическим. При этом детально проработаны все аспекты проблемы оптимизации микрогеометрии - от нормирования- до технологического обеспечения и контроля.
Суть непараметрического подхода состоит в следующем:

• в качестве критериев оценки микрогеометрии поверхностей предложено использовать графические изображения функции плотности распределения ординат или углов наклона профилей, а еще лучше - сами профили или микротопографии поверхностей;
• нормировать нужно не малоинформативные параметры, а конкретные функциональные свойства, проставляя на знаках шероховатости их стандартные номера;
• при экспериментальном определении наилучшего из возможных микрорельефов для конкретного функционального свойства мы не только находим этот микрорельеф, но и фиксируем технологию его получения;
• контроль микрогеометрии серийной продукции производим наложением графического изображения функции контролируемой поверхности на эталонное изображение этой функции или профиля, или микротопографии (рис.10.3).

Рис.10.3 Плотность распределения ординат профиля оптимальной микрогеометрии поверхности.

На рис.10. 3 заштриховано <поле допуска> функции, которое можно изменять в зависимости от степени важности или ответственности деталей.
Если графическое изображение функции контролируемой поверхности не выходит за пределы поля допуска, значит его микрорельеф близок к оптимальному (эталонному).
Современные программные средства позволяют в автоматическом режиме сравнивать и устанавливать степень различия не только сравниваемых графических изображений функций, но и самих профилей и даже микротопографий поверхностей.
Непараметрический метод оценки и контроля микрогеометрии не только позволяет сравнительно просто решать задачи ее оптимизации для любого конкретного функционального свойства, но и более достоверно исследовать и устанавливать закономерности влияния микрогеометрии на эти свойства, и, что не менее важно, закономерности влияния различных факторов на формирование и изменение самой микрогеометрии. Достаточно сказать, что благодаря использованию непараметрических критериев оценки микрогеометрии поверхностей трения, удалось установить непрерывный, циклический характер ее изменения, вопреки укоренившемуся мнению о так называемой <равновесной>, стабильной и независимой от исходного состояния микрогеометрии в парах трения-скольжения [4,5,6].
       Уже несколько десятилетий практически во всех странах мира стандартизованы методы оценки микрогеометрии поверхности по ее профилю. Профили поверхностей получают с помощью приборов так называемого «ощупывающего» типа, схема работы которых представлена на рисунке 10.4. Как видно из рисунка, тонко заостренная алмазная игла датчика «Протаскивается» по поверхности, повторяя ее выступы и впадины.  

 

Рис. 10.4 Схема получения профиля поверхности.

 

Таким образом, мы получаем профиль поверхности, по которому судим о ее микрогеометрии. Из-за метрологических проблем отклонения реальной поверхности от идеальной приходиться искусственно делить на три категории: отклонения формы, волнистость и шероховатость. При измерении и контроле шероховатости длина ощупывания (профиля), в основном существенно меньше размеров всей поверхности, поэтому отклонения формы на коротких участках компенсируются установкой контролируемого участка поверхности в «горизонт» и фактически фиксируются шероховатостью на фоне волнистости (рис. 10.5).

 

 

 

Рис. 10.5 Условное разделение отклонений реальных поверхностей от идеальных на несколько составляющих.

 

Независимо от метода оценки и контроля микрогеометрии, при использовании в качестве источника информации ощупывающих приборов при записи профиля имеют место многочисленные помехи. При этом в производственных условиях изоляция контрольно-измерительной аппаратуры от внешних помех практически невозможна. Разработан новый надежный метод фильтрации профиля с использованием его амплитудного спектра. При прямом Фурье - преобразовании профиля, как реализации случайной функции, мы получаем набор гармоник различной амплитуды и частоты. Графическое представление зависимости амплитуды гармоник от их частоты и есть амплитудный спектр профиля (см. рис.10.5 а).

 

Рис.10.6 Амплитудный спектр профиля точеной поверхности.

Установлено, что самая низкочастотная гармоника содержит информацию об отклонениях формы поверхности. К этой же категории относится перекос контролируемой поверхности при установке ее на столике прибора. Вторая и третья гармоники содержат информацию о волнистости. Падающая часть спектра содержит информацию о шероховатости поверхности. Незатухающая высокочастотная часть спектра содержит информацию о помехах. Удаляя ненужную информацию, прежде всего помехи, после обратного преобразования Фурье мы получаем "чистый" профиль. Этот метод позволяет не только надежно избавляться от помех, но и исследовать любую комбинацию отклонений реальной поверхности (шероховатость с волнистостью, шероховатость с отклонением формы и т.д., и т.п.), а также любую составляющую отклонений отдельно. На рис. 10.7) показаны исходный профиль и соответствующий ему амплитудный спектр (рис. 10.7,а) и профиль с исключенными отклонением формы и волнистостью с соответствующим амплитудным спектром (рис.10.7, б).

Рис.10.7 Профили точеной поверхности с соответствующими амплитудными спектрами с  учетом (а) и без учета (б) волнистости отклонения формы.

Второй профиль (рис.10.7- б) получен путем обратного Фурье - преобразования амплитудного спектра после удаления гармоник, содержащих информацию об отклонениях формы и волнистости.