BADANIA STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ WARSTWY WIERZCHNIEJ METODĄ 3D

Transkrypt

1 57/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN BADANIA STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ WARSTWY WIERZCHNIEJ METODĄ 3D J. CYBO 1, A. GOŁĄB 2,G. SŁUŻAŁEK 3 Uniwersytet Śląski Katedra Materiałoznawstwa - Zakład Badań Warstwy Wierzchniej STRESZCZENIE W pracy omówiono ogólnie zasady badania struktury geometrycznej powierzchni. Uwypuklono profilową metodę 3D. Podano zasady wizualizacji pomiarów. Scharakteryzowano możliwości techniczne i analityczne profilografometru Form Talysurf f-my Taylor Hobson. Przedstawiono różne warianty graficznej prezentacji wyników dla metody 2 i 3D, zastosowanej do badania gładzi cylindra sprężarki tłokowej. 1. ZASADY BADANIA STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ POWIERZCHNI Strukturą geometryczną powierzchni nazywa się ogólnie zbiór wszystkich jej nierówności, wliczając w to odchyłki kształtu, falistość i chropowatość. Ostatnia z cech jest uznawana za jeden z najistotniejszych wyróżników stanu warstwy wierzchniej (WW). Czynnik ten wpływa na przebieg podstawowych zjawisk tribologicznych elementów współpracujących węzła kinematycznego. Najczęściej stosowanym sposobem badania struktury geometrycznej jest metoda stykowa, realizowana za pomocą głowicy profilografometru z końcówką diamentową, przesuwającą się wzdłuż badanej powierzchni. Ruch ostrza odwzorowujący profil jest przetwarzany na sygnały elektryczne. Sygnały z przetwornika są dodatkowo wzmacniane oraz filtrowane dla oddzielenia składowej kształtu i falistości. Funkcję urządzenia rejestrującego i przeliczającego sygnały na 1 Dr hab. Profesor Uniwersytetu jcybo@metrolo1.tech.us.edu.pl 2 Dr 3 Dr

2 434 badane parametry pełni procesor, najczęściej jako składowa komputera będącego w wyposażeniu stanowiska. Ponieważ urządzenia do pomiaru struktury WW są przyrządami cyfrowymi, zbieranie danych ma charakter dyskretny i zachodzi z odpowiednim krokiem próbkowania. Wynika to z zastosowania przetwornika analogowo-cyfrowego, transformującego wzmocniony sygnał z głowicy pomiarowej na ciąg wartości liczbowych. Znaczącą jest zatem w tym przypadku rozdzielczość pionowa układu, zależna od wybranego zakresu pomiarowego, uwarunkowanego maksymalną wysokością nierówności. Uzyskany w wyniku dygitalizacji zbiór współrzędnych (wysokości Z w równych odstępach X) jest przetwarzany na wartości analizowanych parametrów profilu. Ostatnie lata przyniosły krytyczne spojrzenie na problem analizy dwuwymiarowej oraz nowe rozwiązania w zakresie opisu topograficznego (3D) powierzchni. Dominują w tym względzie jednak metody profilowe nad powierzchniowymi. Opierają się na skaningu dwukierunkowym (x, z) -y, co wymaga przyjęcia określonej siatki próbkowania i sprowadza się do rejestracji serii przebiegów linii profilu we wzajemnie równoległych płaszczyznach. Wizualizacja pomiarów badanej powierzchni odbywa się (w przypadku f-my Taylor Hobson wg programu Talymap) przez odpowiednie połączenie punktów pomiarowych z wykorzystaniem metod kartograficznych. Wynikiem jest uzyskanie mapy konturowej (układu warstwic bądź odcieni szarości lub zmiany intensywności kolorów) albo izometrycznego obrazu powierzchni. Rzut aksonometryczny jest stosowany częściej, gdyż pozwala zarazem na stosowanie inwersji i powiększeń wybranych obszarów, a przede wszystkim większej przejrzystości. Polega na nałożeniu na siebie kolejnych linii profilu i ukryciu niewidocznych linii przenikania. Trójwymiarowe obrazy nie tylko lepiej reprezentują naturę procesu współpracy składowych węzła, ale pozwalają zarazem na przestrzenną dymensję parametrów powierzchni. Prace nad ostatecznym znormalizowaniem parametrów analizy 3D wprawdzie nadal trwają, są jednak w fazie ostatecznego ich dopasowania do obowiązujących w UE wymogów norm ISO. 2. PROFILOGRAFOMETR TALYSURF FIRMY TAYLOR HOBSON Zakład Badań Warstwy Wierzchniej dysponuje od jesieni 1999 r. jedną z (trzech w Polsce) najnowocześniejszych wersji ww. aparatury z oprogramowaniem Ultra Windows do analizy 2D i najnowszym programem Talymap 3D. Idea budowy i działania urządzenia jest zbieżna z informacjami w rozdz. 1. Końcówkę pomiarową stanowi piramidka diamentowa o zaokrągleniu ostrza 2 µm. Układ jest kalibrowany dynamicznie (samoczynnie) w całym zakresie pomiarowym na powierzchni kuli wzorcowej. Dane techniczne przedstawiono w tabeli 1, a możliwości analizy w tabeli Graficzna prezentacja wyników badań struktury geometrycznej

3 435 Zapis wyników badań może się odbywać zarówno w postaci arkusza pomiarowego o dowolnie skompilowanym przez użytkownika zestawie segmentów lub Tabela 1. Dane techniczne profilografometru Form Talysurf Table 1. Technical specification of the Form Talysurf-type profilographometer Długość pomiarowa : 50 mm (50 mm x 50 mm ) Skrętna głowica pomiarowa Prostoliniowość X : 0,4 µm na długości 50 mm 0,1 µm na długości 20 mm Tryb pracy automatyczny - CNC Zakres głowicy w osi Z : 1 mm Autokontakt (automatyczne dojście do powierzchni mierzonego elementu) Rozdzielczość głowicy : 0,6 nm - 3 nm - 16 nm Automatyczne poziomowanie do zadanej bazy zależnie od wysokości (skrętna głowica pomiarowa stero-wana max. nierówności komputerem) Rodzaj głowicy : indukcyjna Znormalizowane odcinki pomiarowe + dowolnie programowane Prędkość pomiarowa : 0,5 mm/s, 1 mm/s Procedura samotestowania się urządzenia Próbkowanie w osi X co : 0,25 µm Zakres ruchu stolika 3D : 50 mm określająca: stan końcówki pomiarowej - diamentu; głowicy łożysk i przetwornika; Minimalny krok stolika : 1 µm 3D w osi Y zespołu przesuwu prostoliniowości i równomierności przesuwu Analiza wszystkich istniejących parametrów 2/3D Oprogramowanie Ultra Windows NT dla 2D Pomiar prostoliniowości, odległości, kąta i Talymap dla 3D Jednoczesna analiza kształtu i chropowatości, Pomiar Pomiar wielkości promienia profilii R, W, P Dokładność wskazań 2% lub 4 nm Tabela 2. Możliwości analityczne profilografometru Form Talysurf Table 2. Analytical capabilities of the Form Talysurf-type profilographometer Analiza 2D (po 25 parametrów profilu): Analiza 3 D (12 parametrów) Prametry chropowatosci (wszystkie ujęte w Parametry chropowatości 3D (Sa, Sq, St, Sp, normach światowych) Sv, Ssk, Sku, Sz) Parametry falistości (wszystkie ujęte w Parametry falistości 3D normach światowych) Parametry niefiltrowane 3D Parametry niefiltrowane (wszystkie ujęte w Krzywa udziału nośnego normach światowych) Rozkład amplitudy Parametry francuskie R&W Harmoniczne Parametry Rk Repliki Krzywa udziału nośnego Obliczanie objętości Rozkład amplitudy Przewidywanie wielkosci parametrów po Harmoniczne teoretycznym zużyciu (thershold) Repliki Filtracja przestrzenna Obliczanie powierzchni Pomiar odległości i kąta - 3D Przewidywanie parametrów po teoretycznym Przejście 3D: analiza parametrów w 2D na zużyciu (threshold) wybranych przekrojach 3D Filtracja: Gaussian, 2CR PC, 2CR ISO Dowolny odcinek elementarny cut-off Pomiar odległości 2D

4 436 oddzielnej prezentacji każdego z nich. W niniejszym opracowaniu zamieszczono przykładowy zbiór wyników badań anodowej warstwy tlenkowej gładzi cylindra sprężarki po 3000 godz. pracy. Ze względu na poglądowy charakter dokumentacji pominięto wartości liczbowe wyznaczonych parametrów. Dla zarejestrowanego profilu (rys. 1a) wykreślona została krzywa Abbott a oraz obliczone parametry zredukowanej wysokości wzniesień R pk i wgłębień R vk, wysokość chropowatości rdzenia R k oraz udziały nośne wierzchołków M r1 i wgłębień M r2, rys. 1b. Rys. 1. Zarejestrowany odcinek pomiarowy profilu (a) oraz krzywa Abbott a (b) Fig. 1. Recorded measuring fragment of a profile (a) and an Abbott s curve (b) Wycinek badanej powierzchni o wymiarach 0,3 x 0,9 mm, przedstawiony w ujęciu konturowym (rys. 2ab), uwypukla wzdłużnymi rysami kierunkowy charakter zużycia ściernego. Stopień anizotropii wynosi w tym przypadku 73% (rys. 2e), natomiast krzywą udziału powierzchniowego wierzchołków i rozkład ich wielkości obrazuje rys. 2d, zaś gęstość wzniesień na powierzchni jednostkowej - rys. 2c. Charakter lokalnych wytarć gładzi cylindrów bardziej plastycznie oddaje wizualizacja w trybie fotograficznym, z jednoczesnym pomiarem profilu wytarcia i określeniem parametrów 3D, rys. 3. Najbardziej reprezentatywny obraz stanowi jednak rzut aksonometryczny (rys. 4a) z możliwością jego inwersji (rys. 4b),którego dowolne fragmenty można z kolei analizować w postaci mapy odcieni szarości (lub intensywności kolorów) z równoczesną analizą ilościową wycinka profilu, rys. 4 cd.

5 437 Rys. 2. Konturowa wizualizacja wycinka powierzchni i graficzna interpretacja badań Fig. 2. Contour visualization of a surface sector and graphic interpretation of investigations Rys. 3.Wizualizacja w trybie fotograficznym i analiza 3D obszarów lokalnych Fig. 3. Visualization in a photographic mode and 3D analysis of local areas

6 438 Rys. 4. Obraz izometryczny gładzi cylindra z mapą odcieni szarości i fragmentem profilu Fig. 4. Isomeric image of cylinder bearing surface with a gray scale map and a fragment of profile INVESTIGATIONS OF STRUCTURE OF GEOMETRICAL UPPER LAYER BY 3D METHOD SUMMARY The general rules of investigation of geometrical surface are discussed. The 3D-profile method has been emphasized. The rules of visualization of measurements are given. Both technical and analytical possibilities of Form Talysurf-type profilograph have been characterized. Different ways of graphical presentation of the results obtained by 2 and 3D methods used for investigation of cylinder bearing surface of piston compressor are shown. Reviewed by prof. Stanisław Pietrowski