POLITECHNIKA OPOLSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji POMIAR CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI

Transkrypt

1 POLITECHNIKA OPOLSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Ćwiczenie nr 5 TEMAT: POMIAR CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI ZADANIA DO WYKONANIA: 1. stosując metodę wzrokowo-dotykowego porównania z wzorcami chropowatości ocenić chropowatość wskazanych powierzchni, zapisać wartość parametru R a i R z, 2. Wyznaczyć wartość parametru R z dla wskazanej powierzchni za pomocą mikroskopu podwójnego Carl Zeiss-Jena. ZAŁĄCZNIKI: PN-87/M Struktura geometryczna powierzchni, Chropowatość powierzchni, Wartości liczbowe parametrów, Podstawowe określenia chropowatości powierzchni. M. Bartoszuk, Z. Zalisz, Opole 2002 r.

2 I. Wprowadzenie Stosowane w praktyce metody sprawdzania i pomiaru chropowatości powierzchni można podzielić na trzy zasadnicze grupy: 1. Porównanie z wzorcami, 2. Pomiar metodami optycznymi, 3. Pomiar metodą stykową Podstawowe parametry chropowatości wg PN-87/M-04250, PN-87/M /01 i PN-87/M-04256/02 (załącznik 1) to: R a - średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości R z - wysokość chropowatości według 10 punktów R m maksymalna wysokość chropowatości S m średni odstęp chropowatości S - średni odstęp miejscowych wzniesień profilu chropowatości, t p współczynnik długości nośnej profilu chropowatości. Oprócz wymienionych stosuje się do opisu mikrogeometrii powierzchni szereg innych parametrów w zależności od potrzeby i preferencji branżowych (załącznik 2). Parametr R a stosuje się jako uprzywilejowany w odniesieniu do pozostałych parametrów chropowatości. 1. Porównanie z wzorcami chropowatości Metoda ta polega na porównaniu chropowatości powierzchni przedmiotów z chropowatością wzorców za pomocą komparatorów optycznych względnie pneumatycznych, lub bez użycia przyrządów pomocniczych. Bezpośrednią wzrokowo-dotykową ocenę przez porównanie z wzorcem można stosować dla powierzchni o wysokości nierówności R a większej od około 0,2 µm. Przy niższej wartości parametru R a konieczne staje się zastosowanie mikroskopu o rozdwojonej osi optycznej (komparatora optycznego). Wzorce chropowatości są najbardziej znanym sposobem kontroli wymagań gładkościowych w odniesieniu do powierzchni metalowych. 2

3 Aby jednak można było posługiwać się nimi muszą być spełnione następujące warunki: - wzorzec i porównywany z nim przedmiot powinny być wykonane z takiego samego lub podobnego materiału, - kształt obu porównywanych powierzchni powinien być zbliżony, - sposób obróbki obu porównywanych powierzchni powinien być taki sam, a wzajemne usytuowanie powierzchni wzorca i przedmiotu w trakcie ich porównywania takie, aby układ śladów obróbki na obu powierzchniach był zgodny co do kierunku. Przed oceną należy starannie oczyścić zarówno powierzchnię wzorca, jak i powierzchnię z nim porównywaną. Porównanie bezpośrednie metodą wzrokowo dotykową należy przeprowadzać w stałych warunkach zewnętrznych takich samych dla obu powierzchni. Najpierw dokonuje się porównania wzrokowego obserwując jednocześnie obie powierzchnie, a następnie porównania dotykowego przez kilkakrotne przesuwanie paznokciem (lub miękkiej blaszki o stępionych krawędziach) na przemian po obu powierzchniach ze stałą prędkością rzędu 3 5 cm/s. Należy przy tym pamiętać, że równoczesne posługiwanie się wzrokiem i dotykiem prowadzi do błędów w ocenie. Dokładniejsze wyniki uzyskuje się przy stosowaniu metody dotykowej, umożliwiającej teoretycznie wyczuwanie zmian w wysokości chropowatości badanych powierzchni rzędu µm. 2. Pomiar chropowatości powierzchni metodą optyczną Do pomiaru chropowatości metodami optycznymi używane są przyrządy działające na zasadzie nieniszczącego przekroju badanej powierzchni za pomocą promienia świetlnego (umożliwiające pomiar chropowatości w zakresie R z od 0,5 do 60 µm) oraz przyrządy działające na zasadzie interferencji światła, dające możliwość pomiaru chropowatości powierzchni w zakresie R z od 0,03 do 2 µm. Do niekorzystnych cech optycznych metod pomiaru chropowatości należą: - możliwość pomiaru tylko na powierzchniach bezpośrednio dostępnych do obserwacji przez układ optyczny (w przeciwnym przypadku trzeba wykonywać repliki, co stanowi dodatkowe utrudnienie i przedłuża czas pomiaru, wprowadzając przy tym dodatkowe błędy), - ograniczony zakres pomiarowy i niewielkie pole widzenia, 3

4 - możliwość pomiaru bezpośredniego tylko parametrów typu wysokościowego (np. R z ). Do przyrządów działających na zasadzie przekroju świetlnego badanej powierzchni należy mikroskop podwójny firmy Carl Zeiss-Jena, zwany też gładkościomierzem optycznym (rys. 1.). Schemat pomiaru tym narzędziem pokazano na rys. 2. Rys. 1. Mikroskop podwójny firmy C. Zeiss-Jena; 1 podstawa, 2 stolik pomiarowy, 3 głowica pomiarowa, 4 korpus głowicy, 5 okular, 6 przesuw linii pomiarowej, 7,8 pokrętła ustawiania szczeliny świetlnej, 9 przesuw dokładny, 10 dźwignia wymiany obiektywu, 11 wymienny obiektyw, 12 głowica odczytowa, 13 przesuw zgrubny. 4

5 a) b) odczyt: 238 działek Rys. 2. Zasada pomiaru mikroskopem podwójnym: a) schemat układu pomiarowego, b) pole widzenia w okularze; 1 źródło światła, 2 przysłona, 3 przedmiot, 4 bęben mikrometryczny Pomiar wysokości nierówności sprowadza się do odczytania w okularze pozornej wysokości nierówności R (w działkach) oraz do przeliczenia jej na rzeczywistą wysokość nierówności zgodnie ze wzorem: 2 R = α R [µm] (1) 2 gdzie: α - oznacza współczynnik wynikający z powiększenia układu optycznego mikroskopu (tablica. 1.) 5

6 Tablica1. Wartość działki elementarnej w e mikroskopu dla różnych powiększeń obiektywów α i zakresów pomiarowych chropowatości. Zakres pomiarowy chropowatości µm Powiększenie obiektywu α Wartość działki elementarnej w [µm] e Pole widzenia [mm] ,79 2, ,89 1, ,41 0,6 0, ,21 0,3 Ostatecznie otrzymamy: R = we R [µm] gdzie: w e - oznacza wartość działki elementarnej (po uwzględnieniu współczynnika układu optycznego). 2 i powiększenia α 2 Przy pomiarze chropowatości należy używać takiego obiektywu, aby w zakresie pola widzenia znajdował się cały odcinek elementarny. Wartość działki elementarnej bębna odczytowego okularu mikrometrycznego jest więc różna dla różnych obiektywów, a ponadto zależy też od właściwości oka mierzącego. 3. Pomiar chropowatości powierzchni metodami stykowymi W przyrządach zbudowanych w oparciu o metodę stykową, po mierzonej powierzchni jest przesuwana (w sposób ciągły lub ze skokowym unoszeniem) końcówka pomiarowa. Pionowe jej przemieszczenia odpowiadające nierównościom powierzchni rejestrowane są za pośrednictwem układu mechaniczno-optycznego lub elektrycznego w postaci wykresu na taśmie rejestrującej lub jako ciąg sygnałów elektrycznych i są przetwarzane na wskazania parametru charakteryzującego zbiorczo nierówność powierzchni na danym odcinku pomiarowym. Przyrządy uniwersalne, umożliwiające uzyskanie zarówno wartości określonego parametru chropowatości, jak też wykresu profilu 6

7 powierzchni, określa się nazwą profilografometrów. Do dużej popularności i rozpowszechnienia tych urządzeń w przemyśle, szczególnie w wersji przenośnej (zminiaturyzowanej), przyczyniły się następujące ich zalety praktyczne: - krótki czas pomiaru, - możliwość przeprowadzania pomiarów bezpośrednio na przedmiotach bez ich zdejmowania z obrabiarek, - możliwość pomiaru chropowatości otworów, - możliwość uzyskania utrwalonego wyniku pomiaru (profilograf) lub bezpośredniego odczytu parametru (profilometr), - szeroki zakres pomiarowy (R a od 0,01 do 50 µm) umożliwiający pomiar niemal wszystkich powierzchni występujących w warunkach przemysłowych, Mimo wielu swoich zalet przyrządy służące do stykowych pomiarów chropowatości posiadają też wady, do których należą: - niedokładność odwzorowania profilu rzeczywistego wynikająca z promienia zaokrąglenia końcówki pomiarowej, - wpływ odchyłek kształtu i falistości, nie zawsze możliwych do wyeliminowania na drodze mechanicznej lub elektrycznej, - wpływ elementów układu elektrycznego. Pomiar chropowatości powierzchni za pomocą profilogrfometru polega na polega na odtworzeniu profilu przez ostrze odwzorowujące (rys. 3.), które przemieszcza się stykowo po badanej powierzchni wzdłuż określonego odcinka pomiarowego. Ostrze prowadzone jest przez ślizgacz i jest związane z przetwornikiem (mechanicznym, pneumatycznym lub mechaniczno-elektrycznym) tworząc łącznie głowicę pomiarową. Aby uzyskać najbardziej wierne odwzorowanie profilu przez przetwornik, ostrze odwzorowujące powinno mieć bardzo mały promień zaokrąglenia (stosowane wartości wynoszą od 1,5 do 12,5 µm) oraz minimalny nacisk pomiarowy (0,0004 0,06 N). Wielkość zaokrąglenia końcówki jest ograniczona z jednej strony koniecznością docierania (penetracji) ostrza we wgłębienia między mikronierównościami dla prawidłowego odtworzenia ich kształtu, z drugiej zaś strony dostatecznym polem styku dla ograniczenia nacisku, który nie powinien powodować trwałych odkształceń nierówności ani zarysowań powierzchni. Ślizgacz spełnia rolę mechanicznego filtru, a ponadto stanowi osłonę przed mechanicznym uszkodzeniem ostrza. Nadane przez ostrze odwzorowujące impulsy są poprzez przetwornik i wzmacniacz kierowane do urządzenia wskazującego lub rejestratora. 7

8 Rys. 3. Zasada pomiaru profilografometrem; 1 ostrze wzorujące, 2 ślizgacz, 3 przetwornik, 4 wzmacniacz, 5 urządzenie wskazujące, 6 rejestrator II. Metodyka pomiaru chropowatości powierzchni Przy pomiarze chropowatości powierzchni przyjmuje się następujący tok postępowania: Przygotowanie powierzchni. Powierzchnię przeznaczoną do pomiaru należy dokładnie oczyścić, najlepiej przemyć alkoholem lub acetonem. Nie należy stosować do czyszczenia proszków, papierów ściernych, skrobaków, kwasów itp. Ustalenie miejsca pomiaru. Przez obserwację gołym okiem lub przy użyciu lupy należy dobrać co najmniej 3 miejsca pomiarowe, mające strukturę geometryczną typową dla całej lub przeważającej części powierzchni. Ustalenie przypuszczalnej wartości parametru chropowatości. Porównując mierzoną powierzchnię z wzorcami chropowatości należy określić orientacyjną wartość nierówności powierzchni, stosując metodę wzorcowo-dotykową. Ponieważ do opisu chropowatości stosowano równie często parametr R a jak i R z poniżej zamieszczono zestawienie porównawczych wartości obu parametrów (tablica 2). Dobór długości odcinka elementarnego. Po dokonaniu orientacyjnej oceny wysokości nierówności należy uwzględniając rodzaj obróbki powierzchni dobrać zalecaną długość odcinka elementarnego według wartości podanych w tablicy 3. 8

9 Dobór kierunku pomiaru. Zasadą ogólną doboru kierunku pomiaru jest to aby zapewniał on pomiar profilu chropowatości odtwarzającego nierówności wymiarowo większe, decydujące o kierunkowości struktury powierzchni w ustalonych uprzednio miejscach pomiaru. Kierunek ten w zasadzie jest zawsze prostopadły do śladów obróbki. Jedynie dla bezkierunkowej struktury powierzchni, kierunek pomiaru przyjmuje się dowolnie. Dobór narzędzia pomiarowego. Dobierając narzędzie pomiarowe należy wziąć pod uwagę kształt geometryczny i rozmiary mierzonego przedmiotu, decydujące niejednokrotnie o możliwości zastosowania jednego z posiadanych urządzeń do pomiaru chropowatości. W niektórych przypadkach cechy geometryczne przedmiotu uniemożliwiają przeprowadzenie pomiarów. Bardzo przydatne mogą być wówczas negatywy powierzchni, zwane replikami. Pomiar wysokości tak odwzorowanych nierówności odbywa się po dostarczeniu repliki do laboratorium. Wielokrotność pomiaru. Dla określenia chropowatości badanej powierzchni przeprowadza się zazwyczaj trzy lub pięć pomiarów w obrębie ustalonych miejsc pomiaru. Średnia arytmetyczna z tych pomiarów charakteryzuje chropowatość danej powierzchni w sposób wystarczający tylko wtedy gdy wszystkie zmierzone wartości danego parametru są zbliżone do siebie. W przeciwnym razie należy zwiększyć liczbę pomiarów, podając ją przy obliczonej wartości średniej łącznie z wartościami skrajnymi. W celu wyznaczenia wartości parametru R z za pomocą mikroskopu podwójnego Carl Zeiss-Jena należy: a. dobrać odpowiedni obiektyw i założyć go na mikroskop, b. ustalić 3 miejsca pomiarowe równomiernie rozłożone na powierzchni badanej, c. położyć badany przedmiot na stolik tak, aby ślady obróbki na sprawdzanej powierzchni miały kierunek zgodny z kierunkiem płaszczyzny przechodzącej przez osie obu obiektywów, d. za pomocą pokręteł przesuwu zgrubnego i dokładnego osiągnąć pojawienie się ostro widocznego obrazu w połowie wysokości pola widzenia, 9

10 e. ustawić szczelinę świetlną (lub obraz włosa) na ostro widoczną część obrazu, f. sprawdzić czy w polu widzenia znajduje się 5 wierzchołków i 5 wgłębień nierówności profilu, g. sprawdzić i ewentualnie skorygować położenie linii pomiarowej w okularze (powinna być ona równoległa do zarysu powierzchni), h. pokrywając linię pomiarową (pokrętłem 6, Rys.1) z wierzchołkami i wgłębieniami profilu dokonać odczytów wskazań głowicy odczytowej dla kolejnego wierzchołka G i i sąsiadującej dolinki D i (według szkicu pomiarowego Rys. 4.), i wypełnić tabelkę pomiarów (Tablica 2.). Rys. 4. Szkic pomiarowy parametru R z. Tabela 2. Tabela wyników dla pojedynczego miejsca pomiarowego. G i w e R z R ' z D i R i i. Wyliczyć pozorne wysokości kolejnych nierówności w wybranym miejscu pomiarowym z wzoru R i = G i D i j. obliczyć pozorną wysokość chropowatości według 10 punktów według wzoru ' 1 R z = ( R1 + R2 + R3 + R4 + R5 ) 5 oraz rzeczywistą wysokość chropowatości wg 10 punktów 10

11 R z = R ' z w e Tablica 3. k. obliczyć średnią wartość parametru Rz badanej powierzchni biorąc pod uwagę średnią arytmetyczną wartości tych parametrów wyznaczonych dla 3 miejsc pomiaru, obliczyć niepewność pomiarową e = t α,k * S r. W tablicy 3 znaleźć wartość parametru R a odpowiadającą wyznaczonej R z oraz porównać je z wynikami zadania 1, sformułować wnioski końcowe. Porównanie wartości parametrów R a i R z R a µm R z µm R a µm R z µm , , ,25 6, ,00 5, ,80 4, ,63 3, ,50 2, ,40 2, ,32 1, ,25 1, ,20 1, ,160 0, ,125 0, ,100 0, ,080 0,40 16,0 63 0,063 0,32 12,5 50 0,050 0,25 10,0 40 0,040 0,20 8,0 32 0,032 0,160 6,3 25 0,025 0,125 5,0 20 0,020 0,100 4,0 16,0 0,016 0,080 3,2 12,5 0,012 0,063 2,5 10,0 0,010 0,050 2,0 0,008 0,040 11