Шероховатость поверхности при обработке на ЧПУ | Ra и Rz

Шероховатость поверхности при обработке на ЧПУ: Ra, Rz и контроль

Шероховатость поверхности при обработке на ЧПУ это микроскопическая высота выступов и впадин, остающихся на детали после резания; её оценивают параметрами Ra и Rz в микрометрах. Её определяют подача, радиус вершины, состояние инструмента, вибрации и охлаждение, а влияет она на герметичность, трение, износ и усталостную долговечность.

Что такое шероховатость поверхности: Ra, Rz и качество поверхности

Ra это среднее арифметическое отклонение профиля на длине измерения, самый распространённый параметр. Rz это наибольшая высота профиля, она сильно реагирует на одну глубокую впадину. Пересчитать один параметр в другой нельзя. ISO 21920 не даёт формулы пересчёта, а распространённая в цехах оценка Rz в 4-7 раз больше Ra зависит от процесса.

Шероховатость поверхности и размерный допуск это две отдельные системы. Размеры оценивают на координатно-измерительной машине и статистическим управлением процессом, поверхности на профилометре.

К качеству поверхности относят также волнистость и направление следов. обзор технологий обработки Yujiaxin Tech включает все три вместе со снятием заусенцев и очисткой в приёмку первой детали.

Теоретическая шероховатость: подача и радиус вершины задают предел

Геометрия задаёт нижний предел шероховатости поверхности при обработке на ЧПУ. Формула для фрезерования и точения: Ra ≈ f²/(32·rε), где f подача на оборот в мм/об, а rε радиус вершины в мм; результат умножают на 1000 и получают микрометры. При f = 0,15 и rε = 0,8 Ra составляет около 0,88 μm.

Два правила важнее всего. Подача входит в квадрате, поэтому её уменьшение вдвое снижает Ra примерно до четверти. Радиус вершины входит линейно, удвоение радиуса снижает Ra примерно вдвое. Пластина с вайпером снижает Ra ещё сильнее при той же подаче.

Формула это предел, а не прогноз. Реальные поверхности обычно в 1,5-3 раза выше теоретического значения, потому что износ инструмента, вибрации и нарост добавляют свои выступы и впадины.

Инструмент и нарост: как кромка портит поверхность

С ростом износа по задней поверхности VB усиливаются давление и трение на кромке, и Ra растёт. Примерно после VB 0,3 мм поверхность начинает заметно ухудшаться.

При низкой скорости резания материал может привариваться к кромке и образовывать нарост (BUE). Когда он срывается вместе со стружкой, он разрывает готовую поверхность. Решение в повышении скорости резания, а не в снижении подачи.

Покрытия и подготовка кромки тоже меняют результат. Алюминиевые детали часто обрабатывают с DLC или TiB₂, нержавеющую сталь с TiAlN или AlTiN, титан с TiSiN, всегда с острой кромкой против налипания и разрыва. Износ кромки влияет и на поверхность, и на размер; о размерной стороне смотрите как контроль допусков связан с шероховатостью.

Вибрация и биение: жёсткость, вылет и закрепление

Если на поверхности появились чешуйчатые или волнистые следы, причина обычно в вибрации (chatter), а не в большой подаче. Уменьшение подачи здесь редко помогает, работать нужно с жёсткостью.

Инструмент с вылетом больше трёх диаметров ведёт себя как камертон. Тонкие и длинные детали особенно чувствительны, помогают задняя бабка или люнет. Биение шпинделя более 2 μm пишет на поверхности регулярные следы.

Меньше установов за счёт многоосевого движения снижает число следов стыка. На сложных поверхностях это даёт больше, чем небольшое изменение режима.

СОЖ и MQL: влияние охлаждения на Ra

Поливное охлаждение снижает температуру резания, подавляет нарост и выносит стружку из зоны резания. Если стружка второй раз проходит по готовой поверхности, след остаётся сразу, поэтому отвод стружки и геометрия стружколома важны.

Нержавеющую сталь и титан часто обрабатывают с внутренним охлаждением под давлением от 30 до 70 bar, которое подводит СОЖ близко к кромке. Минимальная смазка (MQL) в подходящих условиях снижает Ra и расход СОЖ, а сухая обработка обычно поднимает Ra.

Материал: твёрдость, вязкость и структура

Мягкие материалы вроде чистого алюминия и меди налипают и легко царапаются, им нужна острая кромка и высокая скорость резания. Нержавеющая сталь 316L наклёпывается и склонна к разрыву, титан плохо отводит тепло и склонен к прижогу и заусенцам.

Структура тоже важна. Мелкозернистая или улучшенная сталь обрабатывается чище при тех же режимах. При одинаковых настройках алюминий обычно выходит на 20% до 30% глаже стали.

О связи качества поверхности и усталости смотрите материалы по поверхности на ASM International. Достижимая Ra по материалам и подходящие требования к поверхности приведены на странице прецизионные детали и их поверхности.

При фиксированных режимах материал меняет шероховатость поверхности при обработке на ЧПУ сильнее, чем ожидают.

Контроль: профилометр, образцы сравнения и оценка Ra/Rz

Контактный профилометр ведёт алмазную иглу по поверхности и даёт Ra, Rz и Rt с разрешением до 0,01 μm. Принцип и прослеживаемость к единицам СИ описаны в пояснении NIST о контактном профилометре. Оптические системы используют интерференцию белого света или конфокальную микроскопию, работают без контакта и подходят для мягких материалов и покрытий.

Длина измерения и отсечка (cut-off) меняют показание, поэтому заказчик и поставщик должны договориться об одной настройке, например 0,8 mm. Иглу нужно вести поперёк направления обработки, иначе значение выходит заниженным.

Образец сравнения шероховатости даёт быструю визуальную проверку в цеху, но решение остаётся за профилометром. контроль поверхности и качества у Yujiaxin Tech связывает приёмку первой детали, текущий и выходной контроль в одну цепочку.

Автомобильные детали: требования к шероховатости поверхности по зонам

Разные функциональные зоны требуют разных значений шероховатости поверхности при обработке на ЧПУ, и на одной детали часто стоит несколько требований. Неподвижный стык под прокладку обычно лежит в диапазоне Ra 1,6 до 3,2 μm, направление следов помогает уплотнению.

Канавка под O-кольцо идёт при Ra 0,8 до 1,6 μm и обязательно несёт предел Rz, например Rz ≤ 6,3 μm. Одна глубокая впадина может дать течь, даже если Ra в норме, поэтому здесь указывают Rz.

Гидроцилиндр или подвижное уплотнение обычно требуют Ra 0,2 до 0,4 μm и хонинговки; посадочное место под подшипник лежит при Ra 0,4 до 0,8 μm; обычная структурная поверхность достаточна при Ra 3,2 μm. Об изготовлении таких деталей смотрите ЧПУ-обработка деталей электромобилей.

Границы стоимости, доработка и шероховатость поверхности: частые вопросы

В пределах одного процесса переход Ra с 3,2 на 1,6, а затем на 0,8 добавляет примерно 25% до 50% времени на каждом шаге. Ниже Ra 0,4 μm деталь обычно уходит со станка на шлифование, хонингование, обкатку или полирование. Фрезерование само по себе обычно даёт Ra 0,8 до 1,6 μm.

Завышенное требование к Ra это самая частая скрытая статья затрат, и большинству деталей достаточно Ra 1,6 до 3,2 μm.

Три вопроса встречаются чаще всего. Ra или Rz, что выбирать? Уплотнительные зоны смотрят по Rz, посадочные по Ra.

Уменьшение подачи вдвое действительно снижает Ra вчетверо? Только при почти идеальном инструменте и жёсткости, на практике выигрыш меньше.

Почему поверхность ухудшается, хотя программа не менялась? Сначала проверьте износ инструмента и нарост, затем жёсткость закрепления.

Шероховатость поверхности при обработке на ЧПУ это сумма переменных, а не удача. Чтобы проверить, выполняется ли чертёж за один проход, соберите допуск, обозначения поверхностей и направление следов и отправьте чертёж и требования к поверхности инженерам; Yujiaxin Tech вернёт достижимую Ra по зонам и план контроля.