UNIWERSYTET ROLNICZY

IM. HUGONA KOŁŁĄTAJA W KRAKOWIE

WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I ENERZGETYKI

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:

NAUKA O MATERIAŁACH

Temat ćwiczenia:

Pomiar chropowatości powierzchni.

1. Pomiary chropowatości powierzchni

1.1. Wiadomości wstępne

Zbiór wszystkich nierówności powierzchni nazywa się strukturą geometryczną powierzchni. Strukturę geometryczną analizuje się najczęściej w przekrojach płaszczyzną prostopadłą do powierzchni, zwanych profilami powierzchni. Pomiary profilu powierzchni wykonuje się względem profilu odniesienia realizowanego przez prowadnicę przyrządu. Rozróżnia się profil pierwotny(P), który rozdziela się na profil falistości(W) i chropowatości(R). Do definicji parametrów profilu pierwotnego, chropowatości i falistości powierzchni używa się pojęć zebranych w normach PN-EN ISO 4287:,PN-ISO- 3247:1997. Dotyczą one struktury geometrycznej powierzchni określonej metodą profilową, w której końcówka czujnika pomiarowego (ostrze odwzorowujące) przesuwa się po mierzonej powierzchni. Zróżnicowana wysokość profilu jest przekazywana do przetwornika i przekształcana w zmiany sygnału elektrycznego. Długość przesuwu czujnika pomiarowego lt (długość odwzorowania) zawiera: dobieg, odcinek pomiarowy i wybieg. Do obliczania parametrów chropowatości wykorzystuje się odcinek pomiarowy (ln), który składa się najczęściej z pięciu odcinków elementarnych (lr). Każdy odcinek elementarny lr ma długość równą granicznej długości fali lc (wartość cut-off). Odcinek lr dobiera się z tabel zawartych w normach w zależności od chropowatości powierzchni tak, aby na jego długości było co najmniej pięć wzniesień i wgłębień. Wartości parametrów chropowatości są obliczane pojedynczo dla każdego odcinka elementarnego lr=lc a następnie uśrednione dla całej długości pomiarowej (rys.1).

Rys. 1. Schemat pomiaru chropowatości z zaznaczeniem odcinków pomiarowych

1.2. Parametry chropowatości.

Parametry chropowatości dzieli się na cztery grupy: pionowe (amplitudowe), poziome

(odległościowe), mieszane oraz parametry związane z krzywą udziału materiałowego.

Parametry amplitudowe opisują zmiany w wysokości profilu np. liczba wzniesień. Parametry mieszane są połączeniem obu wcześniej wymienionych np. średnie nachylenie profilu. Parametry związane z krzywą udziału materiałowego dotyczą udziału materiałowego profilu w funkcji poziomu przekroju.

Parametry amplitudowe.

Wysokość najwyższego wzniesienia profilu chropowatości Rp jest wysokością najwyższego wzniesienia powyżej linii średniej wewnątrz odcinka elementarnego. Głębokość najniższego wgłębienia profilu chropowatości Rv jest głębokością najniższego wgłębienia poniżej linii średniej wewnątrz odcinka elementarnego
(rys. 2).

Rys. 2. Parametry Rp i Rv na długości odcinka pomiarowego

Największa wysokość profilu chropowatości Rz jest sumą Rp i Rv wewnątrz odcinka

elementarnego (rys.3).

Rys. 3. Parametr Rz dla odcinków elementarnych wg ISO 4287:1998

Całkowita wysokość profilu chropowatości Rt jest sumą wysokości najwyższego wzniesienia profilu Rp i największego wgłębienia profilu Rv wewnątrz odcinka pomiarowego (rys. 4).

Rys. 4. Parametr Rt dla odcinka pomiarowego

Średnia arytmetyczna rzędnych profilu chropowatości Ra jest średnią arytmetyczną

bezwzględnych wartości rzędnych wewnątrz odcinka elementarnego (rys. 5).

Rys. 5. Parametr Ra dla odcinka elementarnego

Jest to najczęściej stosowany parametr chropowatości, który nie daje jednak dokładnych informacji o charakterze struktury geometrycznej powierzchni i o rozkładzie rzędnych profilu. Na rys. 6 przedstawiono trzy profile o tej samej wartości Ra, ale o różnym rozkładzie rzędnych profilu.

Rys.6. Profile o tej samej wartości Ra o różnym rozkładzie rzędnych profilu

Parametry Rp, Rv, Rz i Ra przedstawiane jako wyniki pomiarów są wartościami średnimi z wszystkich odcinków elementarnych lr stanowiących odcinek pomiarowy ln, gdzie ln=5lr.

Średnia kwadratowa rzędnych profilu chropowatości Rq jest zdefiniowana podobnie:

Parametry odległościowe

Liczba wzniesień jest liczbą wierzchołków na jednostkę długości profilu, a jej odwrotność to średni odstęp miejscowych wzniesień profilu lub średnia szerokość rowków elementów profilu chropowatości RSm, będącą średnią odległością między wierzchołkami (rys.7).

Rys. 7. Wzniesienia i odstępy między wierzchołkami, które przecinają linie c1, c2

Parametry mieszane

Średni arytmetyczny wznios profilu chropowatości RDa jest średnią wzniosu pojedynczych stron profilu (rys. 8).

Rys.8. Definicja pojedynczych wzniosów profilu

2. Metody sprawdzania i pomiaru chropowatości

Metoda porównawcza.

Metoda porównawcza polega na porównaniu chropowatości przedmiotów z chropowatością wzorca za pomocą:

· mikroskopów,

· komparatorów optycznych,

· komparatorów pneumatycznych,

· bez użycia przyrządów pomocniczych.

Metoda optyczna.

Metoda optyczna umożliwia pomiar parametru chropowatości Rz. W przyrządach optycznych do pomiaru chropowatości wykorzystano następujące zasady:

- zasada przekroju świetlnego, umożliwiająca pomiar Rz w zakresie od 1 do 60mm.

Do przyrządów działających na zasadzie przekroju świetlnego badanych powierzchni

należą: podwójny mikroskop Linnika i podwójny mikroskop Schmaltza. W przyrządach tych przekrój świetlny uzyskuje się przez skierowanie na mierzoną powierzchnię płaskiej wiązki promieni świetlnych lub obrazu (cienia) kreski prostoliniowej, prostopadłej do kierunku padania promieni, a równoległej do mierzonej powierzchni. Ślady przecięcia powierzchni płaszczyzną świetlną lub cień kreski układa się na nierównościach powierzchni i odwzorowuje je w sposób pokazany na rys. 9

Rys. 9. Zasada pomiaru metodą przekroju wiązką świetlną: a) bieg promieni,
b) przekrój wiązki światła

.

Metoda stykowa

Zasada stykowego pomiaru nierówności polega na odwzorowaniu profilu powierzchni

przez ostrze wzorujące 1 (rys. 12.13), który przesuwa się wzdłuż zadanego odcinka pomiarowego. Ostrze prowadzone przez ślizgacz 2 i związane jest z przetwornikiem (mechanicznym, pneumatycznym lub mechaniczno-elektrycznym), tworząc łącznie

Rys. 10. Zasada pomiaru profilometrem: 1 ostrze wzorujące, 2-Ślizgacz, 3-mechanizm posuwu, 4-wzmacniacz, 5-urządzenie wskazujące, 6-rejestrator

głowicę pomiarową. Przetwornik kieruje nadane przez ostrze impulsy do wzmacniacza 4 i dalej do urządzenia wskazującego 5 lub rejestratora 6. Przełożenia

pomiarowe dla ruchu pionowego ostrza 250-20 000 oraz 10-1 000 dla przemieszczeń poziomych. Przyrządy dające na wyjściu trwały zapis (odwzorowanie) profilu powierzchni noszą nazwę profilografów, natomiast przyrządy podające tylko wynik w postaci parametru chropowatości noszą nazwę profilometrów. Przyrządy łączące funkcje obu przyrządów nazywa się profilografometrem.

3. Narzędzia pomiarowe

Najczęściej do oceny chropowatości używa się następujących narzędzi:

- wzorce chropowatości,

- podwójny mikroskop Schmaltza,

- podwójny zmodernizowany mikroskop Schmaltza,

- mikroskop interferencyjny firmy VEB C. Zeiss Jena.

4. Przebieg pomiarów

Pomiary wykonać dla przedmiotu wskazanego przez prowadzącego ćwiczenia.

4.1. Ocena chropowatości za pomocą wzorców.

Wybrać z kompletu wzorcowego wzorce odpowiadające następującym warunkom:

- powinny być wykonane z tego samego materiału co przedmiot sprawdzany,

- powinny mieć kształt zbliżony do powierzchni sprawdzanej,

- rodzaj obróbki obu porównawczych powierzchni powinien być taki sam.

Ocena chropowatości powierzchni polega na wzrokowym porównaniu powierzchni

sprawdzanej badanego przedmiotu z wzorcami lub przeciągnięciu paznokciem powierzchni badanej i wzorca w celu wyszukania niezauważalnych różnic. Przesuwanie paznokcia lub blaszki o zaokrąglonych brzegach powinno odbywać się w kierunku prostopadłym do śladów obróbki. Ustalić klasę sprawdzanej powierzchni.

5. Tabela pomiarowa

Ocena chropowatości przez porównanie z wzorcami

Badany przedmiot	Wzorce chropowatości użyte do sprawdzania
Materiał	Sposób obróbki

6. Sprawozdanie studenckie powinno zawierać:

a) Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,

b) Opis stanowiska badawczego,

c) Opis przebiegu realizacji eksperymentu,

d) Zestawienie wyników badań w tabelach oraz ich analizę,

e) Wnioski, w których należy omówić obserwowane zjawiska.

7. Literatura

1. Humienny Z.: Specyfikacje geometrii wyrobów (GPS), WNT W-wa 2004;

2. Jakubiec W., Malinowski J.: Metrologia wielkości geometrycznych, WNT
Warszawa 2004;

3. PN-EN ISO 4287:1999r.