Katedra Technik Wytwarzania
i Automatyzacji
METROLOGIA I KONTKOLA JAKOÅšCI - LABORATORIUM
TEMAT:
POMIARY CHROPOWATOÅšCI POWIERZCHNI
1. Wiadomości podstawowe
Powierzchnia rzeczywista jest granicÄ… oddzielajÄ…cÄ… dany przedmiot od otoczenia (od
innego przedmiotu, substancji lub przestrzeni). Zbiór wszystkich nierówności powierzchni
nazywany jest strukturÄ… geometrycznÄ… powierzchni (SGP). StrukturÄ™ geometrycznÄ… bada siÄ™
w przekrojach powierzchni płaszczyzną do niej prostopadłą (analiza dwuwymiarowa)
lub oceniając wybrany obszar powierzchni (analiza trójwymiarowa topografii powierzchni).
Na strukturę geometryczną zmierzonego profilu składają się błędy kształtu oraz profil
pierwotny, w którym można wyodrębnić falistość i chropowatość (rys.1.).
Rys.1. Podział profilu powierzchni
W celu wyodrębnienia poszczególnych składowych profilu w przyrządach do pomiaru
profilu chropowatości, falistości i profilu pierwotnego stosowane są trzy filtry o różnych
granicznych długościach fali (rys.2.):
- filtr profilu s: wyznacza przejście od chropowatości do składowych o jeszcze
mniejszych długościach fal występujących na powierzchni,
- filtr profilu c: wyznacza przejście od chropowatości do falistości,
- filtr profilu f: wyznacza przejście od falistości do składowych profilu
o jeszcze większych długościach fal.
2
Rys.2. Charakterystyki przenoszenia profilu chropowatości i falistości
Profil falistości powstaje z profilu pierwotnego po oddzieleniu składowych
długofalowych za pomocą filtra oraz składowych krótkofalowych za pomocą filtra c.
Umownie przyjęto, że profil falistości tworzą te nieregularności, dla których stosunek odstępu
nierówności S do ich wysokości R zawiera się w przedziale od 50 do 1000.
Profil chropowatości uzyskuje się z profilu pierwotnego po oddzieleniu składowych
długofalowych profilu filtrem. Dla profilu chropowatości stosunek S do R przyjmuje się
za mniejszy niż 50.
Na każdym profilu można wyznaczyć linię średnią, która ma kształt profilu
nominalnego i dzieli profil w ten sposób, że w granicach odcinka elementarnego suma
kwadratów odległości punktów profilu zmierzonego od tej linii jest minimalna. W zależności
od analizowanego profilu wyróżnia się linię średnią profilu chropowatości, falistości i profilu
pierwotnego. Odcinek elementarny lp, lr, lw jest to znormalizowana długość linii średniej
stosowana do identyfikacji nierówności charakteryzujących oceniany profil. Odcinek
elementarny profilu chropowatości lr jest liczbowo równy długości fali filtra c, odcinek
elementarny falistości lw jest liczbowo równy długości fali filtra f, natomiast odcinek
elementarny profilu pierwotnego lp jest równy odcinkowi pomiarowemu. Odcinek
pomiarowy ln może zawierać jeden lub kilka odcinków elementarnych. Wg normy dla
pomiarów stykowych odcinek pomiarowy składa się z pięciu odcinków elementarnych,
a wyznaczane na nim parametry są średnią arytmetyczną z wartości parametrów
wyznaczonych na poszczególnych odcinkach elementarnych. (rys.3.).
3
Rys.3. Odcinek zetknięcia końcówki pomiarowej z mierzoną powierzchnią
Opisując profil stosuje się następujące terminy (rys.4.):
- wzniesienie profilu - część ocenianego profilu skierowana na zewnątrz (od
materiału do otaczającego ośrodka), łącząca dwa sąsiednie punkty na
przecięciu profilu wzdłuż osi X (linii średniej),
- wgłębienie profilu - część ocenianego profilu skierowana do wewnątrz,
łącząca dwa sąsiednie punkty na przecięciu profilu wzdłuż linii średniej,
- element profilu wzniesienie i sąsiadujące z nim wgłębienie profilu,
- wysokość wzniesienie profilu Zp - odległość od najwyższego punktu
wzniesienia profilu od linii średniej
- głębokość wgłębienia profilu Zv - odległość od najniższego punktu
wgłębienia profilu od linii średniej,
- różnica wysokości elementu profilu Zt  suma wysokości wzniesienia i
głębokości wgłębienia jednego profilu,
- szerokość elementu profilu Xs  odcinek na linii średniej ograniczony przez
element profilu.
Rys.4. Element profilu
4
2. Definicje parametrów geometrycznych
Parametry SGP dzielÄ… siÄ™ na:
- parametry P  parametry obliczane z profilu pierwotnego,
- parametry R  parametry obliczane z profilu chropowatości,
- parametry W  parametry obliczane z profilu falistości,
- parametry S  parametry topografii powierzchni (parametry 3D).
Pierwsza wielka litera symbolu parametru oznacza typ ocenianego profilu, np. Rt
oznacza parametr obliczany z profilu chropowatości, Pt z profilu pierwotnego.
Parametry pionowe (amplitudowe):
Wysokość najwyższego wzniesienia profilu Pp, Rp, Wp, głębokość najniższego
wgłębienia profilu Pv, Rv, Wv, całkowita wysokość profilu Pz, Rz, Wz:
Rt = Rp + Rv
Średnia arytmetyczna rzędnych profilu Pa, Ra, Wa jest średnią arytmetyczną
bezwzględnych wartości rzędnych Z(x) w przedziale odcinka elementarnego:
1
Pa, Ra.Wa = Z (x) dx ,
l
w zależności od badanego profilu
l = lp,lr,lw
5
Średnia kwadratowa rzędnych profilu Pq, Rq, Wq:
lr
1
2
Pq, Rq,Wq =
+"Z (x)dx,
l
0
w zależności od badanego profilu
l = lp,lr,lw
Średnia wysokość chropowatości Rz jest to arytmetyczna wysokość pięciu najwyższych
wzniesień ponad linię średnią pomniejszona o średnią pięciu najniższych wgłębień poniżej
linii średniej:
1
Rz = (Rz1 + Rz 2 + Rz3 + Rz4 + Rz5 )
5
Parametry poziome (odległościowe)
Średnia szerokość rowków elementów profilu PSm, RSm, WSm:
n
1
RSm =
"Smi
n
i=1
n - liczba elementów profilu
Udział materiałowy profilu Pmr(c), Rmr(c), Wmr(c) jest iloraz długości materiałowej
elementów profilu Ml(c) na zadanym poziomie c i odcinka pomiarowego:
Ml(c)
Pmr(c), Rmr(c),Wmr(c) =
ln
Krzywa udziału materiałowego (krzywa Abbota-Firestona) przedstawia udział materiałowy
profilu jako funkcję wysokości cięcia.
6
3. Stykowe metody pomiaru SGP
Systemy pomiarowe struktury geometrycznej powierzchni dzielÄ… siÄ™ na dwie
podstawowe grupy, tj. systemy profilometryczne wykorzystujÄ…ce metody stykowe oraz
systemy optyczne przeprowadzajÄ…ce pomiar bezstykowy.
Metody profilowe są najdłużej i najczęściej stosowanymi metodami w pomiarach
SGP. Ostrze odwzorowujące przemieszcza się po mierzonej powierzchni ze stałą prędkością,
mechaniczny powstały na skutek zmiany położenia ostrza w kierunku prostopadłym do
kierunku przesuwu zamieniany jest na sygnał elektryczny, który z kolei jest rejestrowany lub
poddawany dalszej obróbce. Bazą pomiarową (elementem względem którego określane jest
przemieszczenie) może być powierzchnia odniesienia (baza niezależna) lub ślizgacz (baza
zależna) (rys.5.). Ślizgacz jest zarówno punktem podparcia jak i powierzchnią odniesienia.
Rys.5. Zasada pomiaru SGP metodÄ… stykowÄ…
Profil mierzony za pomocÄ… metody stykowej jest wynikiem koincydencji profilu
rzeczywistego oraz geometrii końcówki pomiarowej (rys.6.). Końcówka pomiarowa ma
kształt sferyczny lub ostrosłupa ściętego. Najczęściej stosuje się końcówki sferyczne
o promieniu zaokrÄ…glenia 2, 5 lub 10 µm wykonane z diamentu. NajwyższÄ… dokÅ‚adność
odwzorowania zapewnia końcówka z najmniejszym promieniem zaokrąglenia.
7
Rys.6. Profil zmierzony końcówkami o różnym promieniu zaokrąglenia
Rozwinięciem dwuwymiarowej oceny profilowej jest ocena trójwymiarowa, czyli
ocena stereometrii powierzchni. Systemy do trójwymiarowej analizy powierzchni metodą
stykową polegają na pomiarze wielu równoległych do siebie profili.
4. Metodyka przeprowadzania pomiarów
- oczyszczenie powierzchni (ze smarów, ziaren ściernych, pyłów itp.),
- wybór miejsca oraz kierunku pomiaru: na podstawie kontroli wizualnej ustala się
miejsce tak, aby reprezentowało ono pełny zakres chropowatości, a pomiar był
miarodajny. Obszary o różnej strukturze chropowatości należy badać odrębnie,
zwłaszcza jeżeli mogą mieć one wpływ na maksymalne wartości wyznaczanych
parametrów. Kierunek pomiaru powinien być prostopadły do śladów obróbki lub
dominujących elementów SGP, tj. taki, w którym wartości wysokościowych
parametrów chropowatości (Ra, Rz) są największe. W miejscach pomiarów nie
powinny występować wady i uszkodzenia powierzchni, np. rysy,
- wykonanie replik (jeśli jest to konieczne): repliki są stosowane w przypadkach
pomiaru dużych i ciężkich części lub kiedy dostęp do badanej powierzchni jest
utrudniony,
- zamocowanie mierzonego przedmiotu, np. za pomocą plasteliny lub imadła,
- wyznaczenie długości odcinka elementarnego:
8
a) wyznaczenie długości odcinka elementarnego nieokresowych profilów
chropowatości:
o oszacowanie parametrów chropowatości Ra, Rz, Rz1max lub RSm metodą
wizualną - porównanie z wzorcami,
o dobranie odcinka elementarnego dla oszacowanego parametru (tab.1),
o wykonanie pomiarów dla przyjętego odcinka elementarnego,
o sprawdzenie, czy zmierzone wartości parametrów mieszczą się w zakresie
zmienności. Jeżeli warunki dla wszystkich parametrów są spełnione dokonuje
się pomiarów dla najbliższego krótszego odcinka elementarnego. Jeżeli
warunek nie jest spełniony pomiary wykonuje się dla dłuższego lub krótszego
odcinka elementarnego, do momentu aż parametry będę się mieścić
w przedziale zmienności,
o ostateczny odcinek elementarny jest najmniejszym odcinkiem, dla którego
wyznaczone parametry mieszczą się w zakresie zmienności,
b) wyznaczenie długości odcinka elementarnego okresowych profilów chropowatości:
o oszacowanie parametrów chropowatości RSm metodą wizualną - porównanie
z wzorcami,
o przyjęcie odcinka elementarnego dla parametrów RSm na (tab.1),
o wykonanie pomiarów dla przyjętego odcinka elementarnego,
o sprawdzenie, czy zmierzone wartości parametrów mieszczą się w zakresie
zmienności podanych w ww. normie. Jeżeli warunek nie jest spełniony
pomiary wykonuje się dla dłuższego lub krótszego odcinka elementarnego,
o jeśli parametry mierzone dla danego odcinka elementarnego mieszczą się
w przedziale zmienności jego długość przyjmuje się do dalszych badań.
- przeprowadzenie pomiarów,
- analiza wyników.
9
Tab.1. Długość odcinka elementarnego lr w zależności od parametrów Ra, Rz, Rz1max lub RSm [5]
Ra, µm Rz, Rz1max, µm RSm, µm lr, mm
0,006 < Ra d" 0,02 0,025 < Rz d" 0,1 0,013 < RSm d" 0,04
0,08
0,02 < Ra d" 0,1 0,1 < Rz d" 0,5 0,04 < RSm d" 0,13
0,25
0,1 < Ra d" 2 0,5 < Rz d" 10 0,13 < RSm d" 0,4
0,8
0,4 < RSm d" 1,3
2 < Ra d" 10 10 < Rz d" 50 2,5
1,3 < RSm d" 4
10 < Ra d" 80 50 < Rz d" 200 8
5. Przeprowadzenie ćwiczenia
1. Porównanie badanej powierzchni ze wzorcami chropowatości
2. Pomiar chropowatości powierzchni na profilometrze 2D
3. Pomiar topografii powierzchni na profilometrze 3D
4. Obliczenie parametru Ra dla profilu zamieszczonego na sprawozdaniu:
- ustalenie powiększenia w osi X (Vx) oraz Z (Vz) (wartości powiększeń podaje
prowadzÄ…cy)
- zmierzenie linijką wartości rzędnych punktów maksymalnych 30 kolejnych
wzniesień i wgłębień profilu
- obliczenie hi - wartości rzędnych w naturalnej skali,
- obliczenie am  położenia linii średniej na wykresie,
- wyrysowanie linii średniej na wykresie,
- obliczenie parametru m,
- obliczenie m - hi - odległości wgłębienia lub wzniesienia od linii średniej,
- obliczenie parametru Ra.
10
Literatura
1. Pawlus P: Topografia powierzchni. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej,
Rzeszów 2005.
2. PN-ISO 3274:1997. Specyfikacje geometrii wyrobów. Struktura geometryczna
powierzchni: metoda profilowa. Charakterystyki nominalne przyrządów stykowych
(z ostrzem odwzorowujÄ…cym).
3. PN-ISO 4288:1997 Wymagania geometryczne wyrobów. Struktura geometryczna
powierzchni. Zasady i procedury oceny struktury geometrycznej powierzchni metodÄ…
profilowÄ….
11