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 0208-9386

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 e-mail: [e-mail]

2

Dr

3

Dr

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 2.

2.1. Graficzna prezentacja wyników badań struktury geometrycznej

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
zależnie od wysokości
max. nierówności

Automatyczne poziomowanie do zadanej bazy
(skrętna głowica pomiarowa stero-wana
komputerem)

Rodzaj głowicy : indukcyjna

Znormalizowane odcinki pomiarowe +
dowolnie programowane

Prędkość pomiarowa : 0,5 mm/s, 1 mm/s
Próbkowanie w osi X co : 0,25

µm

Zakres ruchu stolika 3D : 50 mm
Minimalny krok stolika : 1

µm 3D w osi Y

Analiza wszystkich istniejących parametrów 2/3D

Procedura samotestowania się urządzenia
określająca: stan końcówki pomiarowej -
diamentu; głowicy – łożysk i przetwornika;
zespołu przesuwu prostoliniowości –
i równomierności przesuwu

Oprogramowanie Ultra Windows NT dla 2D
i Talymap dla 3D

Pomiar prostoliniowości, odległości, kąta

Jednoczesna analiza kształtu i chropowatości, Pomiar
profilii R, W, P

Pomiar wielkości promienia

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):

Prametry chropowatosci (wszystkie ujęte w
normach światowych)
Parametry falistości (wszystkie ujęte w
normach światowych)
Parametry niefiltrowane (wszystkie ujęte w
normach światowych)
Parametry francuskie R&W
Parametry Rk
Krzywa udziału nośnego
Rozkład amplitudy
Harmoniczne
Repliki
Obliczanie powierzchni
Przewidywanie parametrów po teoretycznym
zużyciu (threshold)
Filtracja: Gaussian, 2CR PC, 2CR ISO
Dowolny odcinek elementarny cut-off
Pomiar odległości 2D

Analiza 3 D (12 parametrów)

Parametry chropowatości 3D (Sa, Sq, St, Sp,
Sv, Ssk, Sku, Sz)
Parametry falistości 3D
Parametry niefiltrowane 3D
Krzywa udziału nośnego
Rozkład amplitudy
Harmoniczne
Repliki
Obliczanie objętości
Przewidywanie wielkosci parametrów po
teoretycznym zużyciu (thershold)
Filtracja przestrzenna
Pomiar odległości i kąta - 3D
Przejście 3D: analiza parametrów w 2D na
wybranych przekrojach 3D

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.

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

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