Шероховатость поверхности деталей - совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине. На современном этапе развития машиностроения вопрос обеспечения качества обработки поверхности деталей является одним из приоритетных. Он приобретает особую актуальность когда станок с ЧПУ работает в режиме многостаночного обслуживания, как одного из главных направлений по повышению производительности станочных работ. Среди показателей качества обработки важное значение имеет параметр шероховатости Rα, значение которого закладывается в технологический процесс механической обработки на стадии проектирования. При этом задаваемая величина Rα в условиях получистового и чистового точения выступает в качестве основного ограничения при выборе режимов обработки. В практике металлообработки лезвийным инструментом очень часто случается так, что расчётное значение высоты микронеровностей, заложенное в технологический процесс на стадии его проектирования, не совпадает с измеренным. Причём, измеренные значения или превышают расчётные, и качество обработанной поверхности выходит за допуски по классу шероховатости или расчётные значения завышены, что требует снижения подачи, уменьшая производительность. Причина этого явления кроется в неадекватности математических моделей условиям резания, которые влияют на механизм формирования микронеровностей.
В справочно-нормативной литературе отсутствуют рекомендации по расчёту Rα a при обработке сложнолегированных, жаропрочных и коррозионностойких сталей на стадии получистовой и чистовой обработки на токарном станке.
Задачей анализа существующих аналитических зависимостей является выявление возможностей использования существующих наработок по расчету Rα для автоматизированного расчета и обеспечения его совпадения с фактической величиной микронеровностей.
На шероховатость поверхности деталей, обработанных резанием на токарном станке, оказывает влияние большое число факторов, связанных с условиями изготовления и обработки заготовки. А именно, форма и высота неровностей, порядок расположения и направление обработочных рисок зависят от вида и режима обработки; химического состава и микроструктуры инструментального и обрабатываемого материалов; вида смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ); конструкции, геометрии и стойкости режущего инструмента; типа и состояния системы: станок — приспособление — инструмент — деталь (СПИД), применяемых вспомогательного инструмента и приспособлений.
Все многообразные факторы, определяющие шероховатость обработанной поверхности разделяются на три основные группы: причины, связанные с геометрией процесса резания; характером протекания пластической и упругой деформаций обрабатываемого материала; вибрациями режущего инструмента в процессе обработки поверхности.
Анализ литературных источников показывает, что в существующих методиках прогнозирования качества исследовались лишь отдельные аспекты влияния условий, параметров процесса резания на формирование шероховатости поверхности. Они позволяют решать ограниченный круг технологических задач, не раскрывая полностью общих тенденций управления шероховатостью на автоматизированном станочном оборудовании и возможностей обеспечения задаваемого параметра качества поверхностей. А. Ш. Шифриным и Л. М. Резницким предложена формула для определения наибольшей высоты микронеровностей при точении хромистой коррозионностойкой стали
3Х13: H𝑚𝑎𝑥 = 10,7*(s(0,27)/v(0,7)),
где Н𝑚𝑎𝑥 - наибольшая высота микронеровностей, мкм.
Приведенная формула рекомендуется для значений глубины резания до 1 мм, подачи до 0,5 мм/об и скорости резания от 100 до 360 м/мин и учитывает только два параметра подачу и скорость резания, хотя известно, что на формирование шероховатости поверхности детали, кроме указанных параметров, оказывают влияние многие другие факторы. Данное обстоятельство, а также тот факт, что зависимость предложена для стали одной марки, не обеспечивает возможности ее широкого применения в практике проектирования процессов механической обработки.
Вообще, формулы основанные на информации о геометрии резца и значении подачи инструмента, не позволяют получить точных результатов, так как не учитывают влияние технологических факторов, таких как скорость резания, наличие или отсутствие смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС), физико-механических и теплофизических свойств обрабатываемого и инструментального материалов и др.
В работе А. Г. Суслова сделан вывод о том, что в общем случае на образование шероховатости в процессе любой механической обработки влияют следующие факторы:
- 1) геометрия рабочей части инструмента (резца, зерна, шарика, ролика, алмазного индентора и т.п.) и кинематика его рабочего движения относительно обрабатываемой поверхности;
- 2) траектория (колебания) перемещений инструмента относительно обрабатываемой поверхности;
- 3) упругие и пластические деформации обрабатываемого материала заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом;
- 4) высота микронеровностей рабочей части инструмента;
- 5) вырывы частиц обрабатываемого материала.
В зависимости от режимов резания изменяется степень влияния каждого из этих факторов на образование шероховатости поверхности. Первые четыре фактора вызывают образование систематической составляющей профиля шероховатости, которую математически можно описать. Пятый фактор вызывает образование случайной составляющей профиля и определяет дисперсию или разброс параметров шероховатости.
В работе А. Г. Суслова приведена зависимость для обработки на токарно-винторезных станках заготовок из различных сталей, в том числе коррозионностойких, (см. рис. 1).

Рис. 1.: где s - подача (0,1-0,25), мм/об; v - скорость резания (56-112), м/мин; jстД - динамическая жесткость станка, кн/м.
Формула на рис. 1 не учитывает геометрию резца, глубину резания, свойства контактной пары инструмент-заготовка и другие факторы, что ограничивает применимость данной формулы для широкого круга сталей.
В работах А. Р. Ингеманссона и др., представлена математическая модель формирования шероховатости поверхности деталей обработанных при точении коррозионностойких сталей с опережающим пластическим деформированием (ОПД) и традиционном точении, (см. рис. 2).

Рис. 2.: где V - скорость резания, м/мин; λ - коэффициент теплопроводности инструментального материала, Вт/м*К; Sо - продольная подача, мм/об; Kопд - коэффициент ОПД.
Режим осуществления ОПД описывается коэффициентом
Kопд: Kопд = hнак/t,
где hнак - глубина наклепанного поверхностного слоя, мм; t - глубина резания, мм.
Зависимость рекомендуется для продольного точения без СОТС стали 20Х13 (σ0,2 =440 МПа) при V = 90 - 180 м/мин; λ = 11 - 50 Вт/м*К; Sо = 0,083 - 0,256 мм/об; Kопд = 0,001 - 3,2; глубине резания t = 0,5 мм. При расчете Rα для традиционного точения следует назначать Kопд =0,001.
Новизна формулы на рис. 2 в том, что в ней учитывается фактор влияния опережающего пластического деформирования при использовании способа резания с ОПД. В формулу включен параметр, характеризующий теплофизические свойства, а именно теплопроводность твердого сплава, что способствует сохранению высокой точности расчета при изменении в процессе обработки марки твердосплавного режущего инструмента, с величиной теплопроводности из диапазона, указанного в рекомендациях применения данной формулы. Формула рекомендована для мартенситной стали 20Х13, обрабатываемой в указанном диапазоне режимов резания на токарном станке. Результаты прогноза шероховатости поверхности детали по данной формуле не проверялись экспериментально при точении аустенитных и мартенситно-ферритных коррозионностойких и жаропрочных сталей, поэтому формула не гарантирует точности расчета для данных классов сталей.
В работе А. Е. Родыгиной высота микронеровности представлена как расчетная высота, определяемая геометрическим построением, и ее приращение, обусловленное процессом резания. Приращение высоты неровностей определяется из эмпирической формулы как деформационная составляющая параметра Rz (см. рис. 3).

Рис. 3.: где CR и KγR - коэффициенты, зависящие соответственно от свойств обрабатываемого материала и переднего угла резца; yR, uR и qR - показатели степеней, характеризующие влияние параметров обработки на величину деформационной составляющей высот микронеровностей; s - подача, мм/об; v - скорость резания, м/мин; r - радиус закругления вершины резца, мм.
Эксперименты для вывода формулы на рис. 3 проводились при скорости резания v = 175 м/мин; подаче s = 0,1 мм/об; глубине резания t = 0,15 мм. Обрабатываемые материалы: стали 12Х18Н10Т, 40Х.
В формуле на рис. 3 поправочный коэффициент CR учитывает только свойства обрабатываемого материала, однако для обеспечения заданной шероховатости поверхности деталей при обработке широкого круга коррозионностойких сталей на автоматизированных токарных станках ЧПУ необходимо учитывать сочетание свойств контактной пары инструмент-заготовка. Следует отметить, что в работе Демкина, Н. Б. “Качество поверхности и контакт деталей машин”, подробно рассмотрена только деформационная составляющая параметра шероховатости Rz, а для управления качеством обработки необходима комплексная математическая модель, характеризующая формирование высоты микронеровностей при воздействии различных условий, сопровождающих механическую обработку.
В работе В. Ф. Безъязычного представлен аналитический метод определения технологически допустимой подачи Sшер для обеспечения требуемой чертежом шероховатости поверхности заготовки из материалов различных марок, включая коррозионностойкие стали. Для данного метода подача рассчитывается по следующей зависимости (см. рис. 4)

Рис. 4.: где k0, k1,..., k7 - коэффициенты, характеризующие обрабатываемый и инструментальный материалы; Rα - среднеарифметическое отклонение профиля обрабатываемой поверхности, мкм; v - скорость резания, м/мин; t - глубина резания, мм; φ и φ1 - главный и вспомогательный углы в плане соответственно, град.; r - радиус при вершине резца в плане, мм; НВ - твердость обрабатываемого материала.
По формуле на рис. 4 обратным пересчетом можно определить значение допустимой подачи, задавшись требуемым значением показателя шероховатости обрабатываемой поверхности и рекомендуемыми режимами резания для нужного вида обработки, однако степенные коэффициенты и показатель твердости НВ являются усредненными справочными данными. Поэтому для обеспечения точности расчета по данной зависимости необходимо каждый раз для конкретных условий обработки экспериментально устанавливать степенные коэффициенты и измерять твердость обрабатываемого материала, что является препятствием при использовании формулы на рис. 4 в режиме автоматизированного расчета.
В настоящее время существуют и другие способы обеспечения заданной величины шероховатости поверхности заготовки. Одним из способов, является способ включающий регистрацию сигнала акустической эмиссии, по которому определяется значение шероховатости поверхности заготовки. Согласно способу производят регистрацию сигнала акустической эмиссии и определяют по нему значение шероховатости заготовки, причем определяют площадь спектра сигнала акустической эмиссии, а о величине шероховатости судят по отношению площадей спектров зарегистрированного сигнала акустической эмиссии и определенного заранее эталонного сигнала акустической эмиссии. Физически способ основан на том, что в процессе формирования поверхности заготовки происходит возникновение акустических импульсов широкого частотного диапазона (0,1-1,0 МГц), которые отображают процессы деформации и разрушения обрабатываемого материала. Интегральной характеристикой изменений в состоянии поверхности заготовки, учитывающей одновременное прохождение процессов деформации и разрушения (формирование обработанной поверхности заготовки), является площадь спектра акустической эмиссии.
Существует метод автоматического обеспечения шероховатости поверхности деталей при механообработке наружных поверхностей на базе динамического мониторинга с использованием искусственных нейронных сетей. Для этого метода разработан алгоритм управления, обеспечивающий автоматическое достижение заданной величины микронеровности обработанной поверхности. Предложенный алгоритм и его программная реализация позволяют на основе требований чертежа (Rα, S𝑚), используя технологический банк данных, получить фрактальную математическую модель профиля поверхности и назначить наиболее оптимальные режимы обработки для конкретного оборудования. По данному алгоритму можно непрерывно в процессе обработки оценивать шероховатость поверхности с учетом динамического состояния технологической системы и корректировать режимы обработки. Вместе с контролем шероховатости поверхности, производится и контроль состояния режущего инструмента.
В работе Д. И. Петрешина для решения данной проблемы при обработке широкой номенклатуры сталей предлагаются адаптивные самообучающиеся технологические системы управления параметрами качества обработанной поверхности деталей машин (СТСАУ). Работа СТСАУ заключается в получении математической модели, связывающей условия обработки и параметры качества обработанной поверхности, и использование полученной модели для управления технологической системой по любому из параметров качества. Связь между параметром шероховатости Rα и управляющими переменными S и V выражается моделью вида:
Rα = CrS(xr)*V(yr),
где Cr, xr, yr - коэффициенты модели; S - подача, мм/об; V - скорость резания, м/мин.
Алгоритм работы системы включает основные режимы работы системы: «Ввод и анализ исходных данных»; «Работа с базой данных»; «Обучение»; «Работа». Режим «Ввод и анализ исходных данных», необходим для ввода и анализа исходных данных в начале обработки. Под исходными данными понимаются: материал заготовки, геометрия инструмента, режимы резания, жесткость технологической системы, значение требуемого параметра качества обработанной поверхности. По введенным данным система ищет в базе данных соответствующую им математическую модель.
Режим «Работа с базой данных» создан для хранения информации об обработанных материалах, условиях обработки и соответствующих им полученных математических моделях. Если такой математической модели нет, то система автоматически переходит в режим «Обучение». Полученная математическая модель сохраняется в базе данных и используется в дальнейшем. При изменении инструмента, его геометрии, материала деталей, глубины резания и т.п. система вновь производит самообучение. По режиму «Работа» происходит адаптивное управление технологической системой по требуемому параметру качества обработанной поверхности таким образом: от датчиков, установленных около зоны резания, поступает измерительная информация, производится ее анализ, на основе которого регулируется управление технологической системой. Способ является перспективным и направлен на широкое использование в металлообработке.
В работе В. И. Завгороднего рассмотрены вопросы повышения производительности и качества деталей из труднообрабатываемых сплавов типа дисков, кольцевых и корпусных деталей, которые обрабатываются на станках с ЧПУ, за счет внедрения системы диагностирования и контроля состояния обработанной поверхности по косвенному диагностическому признаку отношению амплитуд виброакустических сигналов (ВА-сигналов) из зоны резания. В качестве обрабатываемых материалов в работе использовались сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437Б), ХН73МБТЮР (ЭИ698), ВТ9, а также стали 12Х18Н10Т и 20ХН3А. При исследовании ВА-сигналов из зоны резания применялся комплект аппаратуры для измерения виброускорений, записи спектров и обработки результатов измерений.
Недостаток методов управления качеством поверхности, основанных на виброакустических сигналах в том, что сигнал виброакустики чувствителен к жесткости системы станок - приспособление - инструмент - заготовка (СПИД) и зависит от усилий зажима заготовки в приспособлении. При смене базирования заготовки в процессе обработки сложно с точно одинаковым усилием закреплять заготовку в приспособлении. Данное обстоятельство способствует возникновению неточностей показаний шероховатости поверхности детали и износа инструмента, измеренных по виброакустическому сигналу.
В работе В. Ф. Безъязычного оптимальное управление процессом механообработки различных сталей и сплавов предполагает решение двух задач:
- назначение режимов обработки, обеспечивающих получение деталей заданной точности с требуемыми параметрами качества поверхностного слоя при установившемся протекании процесса резания;
- автоматизированное управление процессом обработки, позволяющее уравновесить непостоянство процесса, вызванного износом режущего инструмента, колебаниями припуска заготовки и другими факторами.
Решаются эти задачи по следующей методике. После ввода в управляющую ЭВМ данных о геометрии режущего инструмента и заготовки, марок обрабатываемого и инструментального материалов, типе станочного оборудования и приспособлений, других известных технологических условий обработки, требуемых показателей точности обработки и качества поверхностного слоя заготовки, система расчетным путем определяет оптимальные режимы резания. Рассчитанные режимы резания передаются на пульт управления станком и производится обработка заготовки. В данной методике теплофизические свойства заготовки и инструмента принимаются постоянными, а в случае отклонения выходных параметров в процессе механической обработки происходит системная автоматическая поднастройка режимов резания. Методика, изложенная в источнике В.Ф. Безъязычного “Расчет режимов резания” полезна тем, что она позволяет корректировать параметр шероховатости поверхности при изменении режимов резания во время обработки, однако ее невозможно применить на стадиях проектирования технологических процессов металлообработки.
Анализ литературных источников показал, что основными факторами, оказывающими влияние на формирование шероховатости поверхности, являются скорость резания, подача, геометрия режущего инструмента, глубина резания. Однако для одних и тех же сталей у разных авторов даны разные сведения о степени влияния перечисленных факторов на величину микронеровностей профиля поверхности.
Таким образом, отсутствие на сегодняшний день единой формулы определения шероховатости поверхности детали для широкого круга коррозионностойких и жаропрочных сталей затрудняет на стадии проектирования техпроцесса решение задачи обеспечения заданного качества механической обработки на станках с ЧПУ.
В статье В. В. Юркевича предпринята попытка использовать математическую зависимость по расчёту величины Rα, и рекомендованную к использованию для обработки среднеуглеродистых и малолегированных сталей (см. рис. 5), для расчёта шероховатости при точении коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т резцом Т15К6 в диапазоне скоростей резания 15 - 56 м/мин, диапазоне подач 0,05 - 0,3 мм/об и глубине резания 0,4 мм.

Рис. 5.: где t - глубина резания (0,5-1,5), мм; s - продольная подача (0,08-0,18), мм/об; φ - главный угол в плане (45 75), град.; φ1 - вспомогательный угол в плане (25-35), град.; v - скорость резания (50-150), м/мин; r - радиус сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок (0,5-2), мм; НВ - твердость обрабатываемого материала.
При этом автор использовал значения поправочного коэффициента Ко и степенные показатели при подаче, скорости резания, радиусе закругления вершины резца, полученные для среднеуглеродистых сталей. Автор приходит к выводу и ссылается на результаты эксперимента, показанные на графике, что теоретические (расчётные) и экспериментальные кривые сходны по характеру. Однако, анализ графических зависимостей показал, что количественные значения параметра Rα, полученные расчётным и экспериментальным путём при точении стали 12Х18Н10Т находятся в разных классах шероховатости по ГОСТ 2789-79. Использование формулы на рис. 5 без её уточнения для расчёта величины Rα при обработке этой марки коррозионностойкой стали не решает в полной мере задачу совпадения расчётного и фактического значения параметра шероховатости в широком диапазоне изменения скорости резания.
В целях решения проблемы обеспечения расчетного значения параметра шероховатости Rα автоматизированным (программным) путем на станках с ЧПУ, необходимо решить задачу использования рекомендованной формулы (см. рис. 5) для группы аустенитных, мартенситных и мартенситно-ферритных коррозионностойких сталей при обработке их основными марками отечественных твердосплавных сменных неперетачиваемых пластин на токарных станках с ЧПУ. Для этого следует ввести дополнительный информационный фактор, который бы оперативно учитывал изменение свойств контактируемой пары, вносимой от инструмента или от обрабатываемой стали. Тогда модернизированная формула (рис. 5) может стать основой для построения алгоритма автоматизированного расчета шероховатости поверхности деталей самой системой ЧПУ при смене условий обработки для новой контактной пары, закрыв, при этом, пробел в справочно-нормативной литературе.