metrologia

Temat 7: „Metrologia powierzchni warstwy wierzchniej”

PROFIL POWIERZCHNI

- linia powstała z przecięcia powierzchni pewną płaszczyzną

- praktyczne znaczenie ma profil poprzeczny wyznaczony przez płaszczyznę prostopadłą do

powierzchni nominalnej

- w wyniku pomiaru otrzymuje się profil zaobserwowany uwaŜany za wystarczające

przybliŜenie niepoznawalnego profilu rzeczywistego

PROFIL ZAOBSERWOWANY - ma złoŜoną strukturę geometryczną i moŜna go traktować jako swoistą superpozycję trzech profili

- profil kształtu

jest wynikiem istnienia odchyłek kształtu

- profil falistości

utworzonego przez regularnie powtarzające się nierówności o stosunkowo duŜej podziałce

- profil chropowatości

utworzonego przez drobniejsze mikronierówności

PROFILE POWIERZCHNI

zaobserwowany

kształtu

falistości

chropowatości

PROFILE POWIERZCHNI

- stanowią abstrakcyjne, geometryczne twory

- znane są sposoby ich pomiaru i rejestracji, a zwłaszcza profilu chropowatości i falistości

- zasada pomiarów polega na odpowiednim odfiltrowaniu , mechanicznym lub elektrycznym, sygnałów pochodzących od nierówności powierzchni o róŜnych odstępach wierzchołków

- profil falistości nie zawiera chropowatości, jak równieŜ odchyłek kształtu, czyli jest w specyficzny sposób „wyprostowany"; buduje się go wokół profilu kształtu

- profil chropowatości nie zawiera ani odchyłek kształtu, ani falistości

LINIA ŚREDNIA m PROFILU - obrana pewna linia odniesienia, słuŜąca do liczbowej oceny falistości i chropowatości

- ma ona kształt profilu nominalnego (np. linii prostej, łuku, okręgu itp.)

- dzieli profil w ten sposób, Ŝe suma kwadratów odległości punktów profilu od tej linii osiąga minimum

pojęcie linii średniej profilu falistości lub chropowatości jest analogiczne do elementu średniego stosowanego do definiowania odchyłek kształtu, a takŜe — jako element zastępczy

- do odchyłek połoŜenia

PARAMETRY CHROPOWATOŚCI

ODCINEK ELEMENTARNY l

- wyodrębnia się go aby definiować parametry chropowatości

- musi być tak mały, aby na nim moŜna było pominąć falistość (oraz — oczywiście —

odchyłkę kształtu)

- wybór odcinka elementarnego dla konkretnego profilu zaleŜy od charakteru struktury

geometrycznej badanej powierzchni

- odcinek elementarny obiera się tym dłuŜszy, im bardziej chropowata jest mierzona

powierzchnia

- wytyczne podają przedmiotowe normy; znormalizowane długości odcinków elementarnych

wynoszą 0,08-25 mm

- pomiar wybranego parametru chropowatości odbywa się na pewnym odcinku pomiarowym ,

który zawiera jeden lub więcej odcinków elementarnych (zaleŜy to od rodzaju parametru i od przyjętej zasady pomiarowej).

PARAMETRY CHROPOWATOŚCI - mniej waŜne są ich nazwy w języku polskim, a oznaczenia które mają znaczenie międzynarodowe

- mniej waŜne są ich nazwy w języku polskim, a oznaczenia które mają znaczenie

międzynarodowe - określane w kierunku prostopadłym do linii m

- odległościowe- określane w kierunku równoległym do linii m

- związane z kształtem

profilu

Parametry wysokościowe chropowatości powierzchni

Rp - maksymalna wysokość wzniesienia profilu chropowatości

Rv - maksymalna głębokość wgłębienia profilu chropowatości

Rm - maksymalna wysokość chropowatości

= R

+ R

Rz - wysokość chropowatości wg 10 punktów

Σ y

+ Σ y

i = 1

ypi , yvi — odpowiednio wysokość i-tego wzniesienia i głębokość i-tego wgłębienia profilu

Stosuje się wartości bezwzględne wysokości i głębokości, aby uniezaleŜnić wartość Rz od zwrotu osi rzędnych.

Pomiar za pomocą niektórych przyrządów (np. podwójnego mikroskopu) wykonuje się

względem linii odniesienia innej, niŜ linia średnia; umieszcza się ją poniŜej profilu

chropowatości i od niej mierzy współrzędne (zawsze dodatnie) wzniesień y'pi i wgłębień y’vi

Wartość parametru wyznacza się za pomocą zmodyfikowanego wzoru, równowaŜnego poprzedniemu:

Σ y

− Σ y

i = 1

Ra jest podstawowym parametrem chropowatości; jego wartości zostały znormalizowane w zakresie 0,008-400 µm.

W praktyce spotyka się najczęściej wartości Ra:

10 - 20 µm części maszyn zgrubnie obrobione

2,5 - 10 µm obróbka średnio gładka

poniŜej 2,5 µm obróbka wykańczająca

poniŜej 0,16 µm w znacznej większości maszyn nie ma potrzeby stosowania

powierzchni o takiej chropowatości

Rq – średnie kwadratowe odchylenie profilu chropowatości

∫ y

≈

Σ y

( )

i = 1

oznaczenia — jak we wzorze na Ra

NaleŜy podkreślić, Ŝe między wartościami róŜnych parametrów chropowatości dla tego

samego profilu nie ma Ŝadnych ścisłych zaleŜności, gdyŜ ich definicje oparte są na zupełnie odmiennych załoŜeniach. ZaleŜności takie mogą być jedynie przybliŜone, moŜliwe do

wyznaczenia dla powierzchni obrobionych określonym sposobem (toczonej, frezowanej,

szlifowanej itp.).

Tak więc, dwa profile o tej samej wartości np. Ra będą miały na ogół róŜne wartości Rz, Rm itd.

Porównując dwa najczęściej stosowane parametry — Ra i Rz — moŜna zauwaŜyć, Ŝe dla konkretnego profilu większą (parokrotnie) wartość będzie miał zawsze parametr Rz, z dwóch powodów:

wartość Rz wynika jedynie z rzędnych ekstremalnych, a Ra z wszystkich;

we wzorze na Ra w mianowniku znajduje się liczba wszystkich punktów

pomiarowych profilu (n), a we wzorze na Rz— połowa tej liczby (5 z 10 punktów).

Parametry odległościowe chropowatości powierzchni

Sm – średni odstęp chropowatości

= 1

Smi — długość i - tego odstępu chropowatości, czyli odcinka linii średniej, zawierającego wzniesienie i sąsiadujące z nim wgłębienie profilu chropowatości

S – średni odstęp miejscowych wzniesień profilu chropowatości

S i

Si — długość i - tego odstępu miejscowych wzniesień profilu, czyli odcinka linii średniej między rzutami dwóch sąsiednich wierzchołków profilu

Parametry związane z kształtem nierówności profilu

hp – długość nośna profilu chropowatości

i = 1

suma odcinków bi otrzymanych przez przecięcie profilu linią równoległą do linii m, umieszczoną poniŜej linii wzniesień na pewnym poziomie c, w przedziale odcinka

elementarnego; poziom c moŜna wyrazić jako procent maksymalnej wysokości chropowatości Rm

tp – współczynnik długości nośnej profilu chropowatości

⋅ 100 %

Krzywa nośności profilu – krzywa Abbota

- przedstawia zaleŜność współczynnika długości nośnej tp od poziomu c przecięcia profilu

- obie wielkości są zwykle wyraŜone procentowo

- jej kształt mówi o odporności powierzchni na zuŜycie

- profil powierzchni o duŜej odporności będzie charakteryzował się krzywą wypukłą

względem osi tp

- w przeciwnym przypadku krzywa Abbota będzie wklęsła

- najczęściej spotyka się przypadki pośrednie, gdy krzywa Abbota ma punkt przegięcia

- głównym celem wszystkich sposobów obróbki wykańczającej (gładkościowej) jest

zwiększenie współczynnika długości nośnej profilu chropowatości i uzyskanie krzywej

Abbota o odpowiednim kształcie

PARAMETRY FALISTOŚCI

Parametry falistości określane są w większości analogicznie do parametrów chropowatości;

linią odniesienia jest linia średnia profilu falistości.

Stosowane są pojęcia linii wzniesień i linii wgłębień profilu — podobnie jak w przypadku

chropowatości. Wartość parametrów falistości ocenia się na pewnym odcinku pomiarowym

lw (nie występuje tu pojęcie analogiczne do odcinka elementarnego chropowatości).

RozróŜnia się parametry określane w kierunku prostopadłym i równoległym do linii średniej.

Z waŜniejszych parametrów falistości pierwszej grupy moŜna wymienić następujące:

Maksymalna wysokość wzniesienia profilu falistości Wp — określona analogicznie, jak Rp.

Maksymalna głę bokość wgłę bienia profilu falistoś ci Wv — okreś lona analogicznie, jak Rv.

Maksymalna wysokość profilu chropowatości Wm — określona analogicznie, jak Rm.

Średnia wysokość falistości Wc — określona analogicznie do Rc. W przeszłości stosowano takŜe parametr Wz określony analogicznie, jak Rz.

Średnie arytmetyczne odchylenie profilu falistości Wa — określone analogicznie, jak Ra.

Średnie kwadratowe odchylenie profilu falistości Wq — określone analogicznie, jak Rq.

Do parametrów określonych równolegle do linii średniej naleŜy:

Średni odstęp falistości Swm — określony analogicznie, jak Sm.

OZNACZANIE STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ POWIERZCHNI

PN ustala szereg sposobów — o róŜnym stopniu szczegółowości — oznaczania struktury

geometrycznej powierzchni części maszyn na rysunkach technicznych.

Podstawowe znaki opisujące chropowatość powierzchni są przedstawione na rysunkach:

a) znak chropowatości po bliŜej nieokreślonej (dowolnej) obróbce,

b) znak chropowatości po obróbce przez zdjęcie warstwy materiału (np. skrawaniem),

c) znak chropowatości po obróbce bez usuwania materiału (np. nagniataniem).

Oznaczenie chropowatości zawiera takŜe wartość (w mikrometrach) wybranego parametru

(parametrów) chropowatości. Najczęściej podaje się wartość maksymalną dopuszczalną

(górną), ale moŜliwe jest takŜe określenie obu wartości granicznych lub — w rzadkich

przypadkach — wartości dolnej.

Według PN moŜna w oznaczeniach chropowatości stosować parametry: Ra, Rz, Rm, Sm, S, tp,

przy czym naleŜy korzystać z wartości liczbowych podanych w tej normie. Parametr Ra jest uprzywilejowany i stosuje się go najczęściej. MoŜliwe jest takŜe w niektórych przypadkach podanie znaku chropowatości bez Ŝadnej wartości liczbowej.

Oprócz granicznej wartości obranego parametru chropowatości, w razie potrzeby moŜna

podać w oznaczeniu długość (w milimetrach) odcinka elementarnego, a takŜe bliŜej określić (słownie) rodzaj obróbki.

W pewnych przypadkach do prawidłowego działania elementu maszyny konieczne jest

zachowanie określonej kierunkowoś ci struktury geometrycznej powierzchni, czyli odpowiedniego ułoŜenia śladów obróbki.

RozróŜnia się następujące odmiany kierunkowości, oznaczane na rysunku — w razie potrzeby

— podanymi symbolami:

równoległa (=) lub prostopadła (⊥) do krawędzi pokazanej na rysunku,

współś rodkowa (C),

skrzyŜ owana (X),

promieniowa (R),

wielokierunkowa (M),

punktowa (P).

Oznaczenie chropowatości moŜna ponadto uzupełnić informacjami o dopuszczalnej falistości

powierzchni, podając w mikrometrach np. wartość Wm oraz ewentualnie Swm (w milimetrach). Wartości parametrów falistości naleŜy poprzedzić ich symbolami. Na rysunku

pokazano przykład pełnego oznaczenia struktury geometrycznej powierzchni; ślady obróbki

powinny być równoległe do pokazanego przekroju powierzchni.

PRZEGLĄD SPOSOBÓW POMIARU I SPRAWDZANIA PARAMETRÓW

CHROPOWATOŚCI

Znanych jest wiele zasad pomiaru parametrów chropowatości, przy czym tylko niektóre

zostały wprowadzone do praktyki przemysłowej i na nich oparto konstrukcję przyrządów

produkowanych przez wyspecjalizowane firmy.

Najczęściej spotyka się:

1) Przyrządy optyczne (bezstykowe), słuŜące do bezpośredniego pomiaru wysokości mikronierówności w ekstremalnych punktach profilu, nadające się do wyznaczania Rz, Rm,

Rp i Rv :

a) przyrządy działające na zasadzie przekroju ś wietlnego,

b) przyrządy interferencyjne, do pomiaru powierzchni o bardzo małej

chropowatości; stosowane w przemyśle precyzyjnym.

2) Przyrządy stykowe, z końcówką pomiarową przesuwającą się po badanej powierzchni.

Mogą to być:

a) profilografy — przyrządy rejestrujące, kreślące odpowiednio przekształcony obraz profilu powierzchni, czyli profilogram; analizując profilogram moŜna jakościowo ocenić strukturę geometryczną powierzchni, a takŜe w prosty sposób znaleźć wartości parametrów Rz, Rm,

Wm, tp oraz — po odpowiednim opracowaniu profilogramu — innych parametrów profilu; b) profilometry — przyrządy całkujące, mierzące bezpośrednio parametry Ra i Rq.

Przyrządy uniwersalne, łączące właściwości profilografów i profilometrów, noszą nazwę

profilografometrów.

Przyrządy optyczne działające na zasadzie „przekroju świetlnego" zostały opracowane

znacznie wcześniej niŜ przyrządy stykowe, a ich konstrukcja jest bardzo prosta. Fakt ten jest powodem stosowania do tej pory parametrów Rz i Rm, pomimo ich niedoskonałości.

Chropowatość powierzchni moŜna sprawdzać przez porównanie z wzorcami chropowatoś ci, które stosuje się w szerokim zakresie chropowatości powierzchni — zarówno do powierzchni

bardzo chropowatych, jak i gładkich.

ZASADA „PRZEKROJU ŚWIETLNEGO" I JEJ REALIZACJA

Zasadę pomiarową „przekroju świetlnego" wyjaśniono na rysunku. Na chropowatą

powierzchnię pada wiązka światła o małej grubości, nachylona do powierzchni pod pewnym

kątem, tworząc na badanej powierzchni krzywoliniową smugę świetlną. Obserwacja tej smugi

pozwala wnioskować o chropowatości powierzchni. NaleŜy zwrócić uwagę na odpowiednie

usytuowanie wiązki świetlnej zaleŜnie od kierunkowości struktury badanej powierzchni,

konieczne do uzyskania właściwego obrazu i wykonania pomiaru.

Najbardziej znanym przyrządem realizującym zasadę „przekroju świetlnego" jest podwójny

mikroskop. Zawiera on dwa układy optyczne o wzajemnie prostopadłych osiach:

I — rzucający pod kątem 45° na badaną powierzchnię wiązkę świetlną,

II — słuŜący do obserwacji obrazu wiązki (jest to właściwy mikroskop).

W polu widzenia mikroskopu pojawia się, na ciemnym tle, jasna pofalowana smuga o pewnej

grubości. W róŜnych modelach podwójnego mikroskopu stosowano odmienne systemy

pomiaru wysokości mikronierówności podczas obserwacji obrazu w okularze, np. przez

bezpośrednie odczytanie rzędnych profilu (od pewnej umownej linii odniesienia) w polu

widzenia okularu.

Stolik mikroskopu moŜna przesuwać śrubami mikrometrycznymi w dwóch kierunkach. Po odczytaniu i zanotowaniu rzędnych 5 najwyŜszych i 5 najniŜszych punktów profilu, za

pomocą wzoru oblicza się Rz względnie odejmując dwie skrajne rzędne wyznacza się Rm.

Przyrządy oparte na zasadzie „przekroju świetlnego" stosowane są (obecnie juŜ rzadko) głównie do pomiaru Rz w zakresie 1,6-80 µm.

NajwaŜniejszym zespołem profilografu i profilometru jest głowica pomiarowa, zawierająca

ostrze pomiarowe 1 przesuwające się po nierównościach badanej powierzchni. Z ostrzem połączony jest przetwornik 2. Bazę pomiarową niezaleŜną od odchyłek kształtu zapewnia ś lizgacz 3. Dolna powierzchnia ślizgacza ma kształt walcowy o znacznym promieniu (rzędu kilkudziesięciu milimetrów), zaleŜnym od stosowanego w pomiarze odcinka elementarnego.

Głowica jest zawieszona przegubowo na suwaku profilometru i dociskana z niewielką siłą

(nie więcej, niŜ 1 N) do mierzonej powierzchni. Znane są teŜ konstrukcje profilometrów,

których głowica nie jest wyposaŜona w ślizgacz, a bazą pomiarową są prowadnice suwaka

przyrządu.

Ostrze pomiarowe wykonane jest z twardego materiału (np. diamentu), a jego promień zaokrąglenia jest bardzo mały (0,001-0,01 mm). Zniekształcenia obrazu profilu powierzchni są jednak nieuniknione. Naciski pomiarowe ostrza są niewielkie, rzędu 1 cN lub mniejsze.

Profilogram charakteryzuje się róŜnym powiększeniem w kierunku poziomym ih (1-1000, zaleŜnie od przyrządu) i w kierunku pionowym iv, (znacznie większym, od 200 do ponad 100000).

Powiększenia te uzyskiwane są w odmienny sposób:

poziome — przez róŜnicę prędkości wykresówki względem głowicy pomiarowej,

pionowe zapewnia przetwornik przyrządu o róŜnej realizowanej zasadzie pomiarowej

— elektrycznej, optycznej lub pneumatycznej.

Obecnie prawie wyłącznie stosuje się profilografy elektryczne, wyposaŜone najczęściej w

głowicę pomiarową z przetwornikiem indukcyjnym, którego zasada jest schematycznie

przedstawiona na rysunku. Ostrze 1 jest połączone z kotwicą 3, której przemieszczenia powodują zmiany indukcyjności dwóch uzwojeń cewki 4 stanowiących gałęzie mostka

zasilanego generatorem wysokiej czę stotliwoś ci 5. Zmiany te zakłócają równowagę mostka, w rezultacie czego na zaciskach transformatora 6 pojawia się sygnał o wielkiej częstotliwości, modulowany małą częstotliwością, obrazujący nierówności powierzchni.

W dokładnych przyrządach laboratoryjnych stosowane są czujniki fotooptyczne lub

interferencyjne. Warto wspomnieć o przyrządach optycznych do pomiaru chropowatości, w

których ostrze pomiarowe jest zastąpione zogniskowaną wiązką światła (średnica plamki

świetlnej na mierzonej powierzchni wynosi ok. 1 µm); pozostałe zespoły przyrządu mają

analogiczną budowę, jak w przyrządach stykowych. Ta zasada pomiaru chropowatości,

szczególnie przydatna do szybkich pomiarów (np. w kontroli czynnej) obecnie rozwija się i w przyszłości będzie miała zapewne duŜe znaczenie.

Układ pomiarowy profilografu wzmacnia i przekształca sygnały z przetwornika głowicy

pomiarowej; wzmocnienie jest dobierane w celu uzyskania najlepszego w danym przypadku

powiększenia pionowego na profilogramie. Stosowane są róŜne systemy zapisu profilogramu

na wykresówce, np. elektroiskrowo na przewodzącym (grafitowanym) papierze.

Profilometry mają głowicę pomiarową o podobnej budowie, jak profilografy. Sygnały z przetwornika w głowicy są zapisywane w pamięci przyrządu, a po przejściu odcinka

pomiarowego poddawane odpowiedniej obróbce, np. całkowaniu w celu wyznaczenia Ra.

Wynik pomiaru ukazuje się na urządzeniu wskazującym (wyświetlaczu).

Profilometr zawiera urządzenie do nastawiania odcinka elementarnego, co sprowadza się do

odpowiedniego filtrowania sygnału pomiarowego (składowe o małej częstotliwości

odpowiadające duŜym odstępom nierówności zostają obcięte). W pomiarze chropowatości

odcinek elementarny musi być krótszy od odstępu falistości. Za pomocą profilometrów

moŜna mierzyć Ra w zakresie 0,02-20 µm.

Współcześnie rozpowszechniły się następujące typy przyrządów stykowych do pomiaru

chropowatości:

profilometry przeznaczone do szybkich pomiarów w procesie produkcyjnym, takŜe

przenośne z zasilaniem bateryjnym;

profilografometry laboratoryjne o duŜych moŜliwościach pomiarowych, są to

uniwersalne urządzenia; dzięki wyposaŜeniu w odpowiednio oprogramowane układy

mikroprocesorowe pozwalają nie tylko na wykonanie bezpośredniego pomiaru

kilkunastu parametrów i wykreślenie profilogramu, ale równieŜ wykonanie wykresu

Abbota i róŜnych obliczeń statystycznych.

WZORCE CHROPOWATOŚCI

Wzorce chropowatości są najstarszymi narzędziami umoŜliwiającymi ocenę jakości

obrobionej powierzchni, jedynymi moŜliwymi do zastosowania nawet bez wprowadzenia

liczbowych parametrów chropowatości. Obecnie wzorce chropowatości są nadal uŜywane;

moŜna wyróŜnić ich dwie podstawowe odmiany:

wzorce uŜytkowe, stosowane do bezpośredniej oceny chropowatości

powierzchni wyrobów;

wzorce kontrolne, słuŜące do sprawdzania i regulacji profilometrów.

Optyczne porównanie wzorca uŜ ytkowego i obrobionej powierzchni, najczęściej stosowane, musi się odbywać przy odpowiednim oświetleniu, okiem nieuzbrojonym lub z uŜyciem lupy.

W przypadku oceny powierzchni o małej chropowatości moŜe być konieczne uŜycie

specjalnego komparatora optycznego.

Wzorce uŜytkowe do porównania optycznego powinny spełniać następujące wymagania:

materiał wzorca powinien być taki sam, jak sprawdzanego przedmiotu (stal, Ŝeliwo,

mosiądz itp.);

kształt wzorca (płaski, wypukły itp.) powinien być zbliŜony do kształtu sprawdzanej

powierzchni;

kierunkowość struktury powierzchni wzorca i przedmiotu powinny być podobne.

UŜytkowe wzorce chropowatości wykonuje się często ze stali nierdzewnej, lub z

róŜnorodnych materiałów naśladujących wyglądem stal lub inne metale (np. tworzywa

sztuczne napylane proszkami metali). Znane są róŜne sposoby seryjnej produkcji wzorców

uŜytkowych pozwalające powielać je z oryginalnych „prawzorców" obrobionych

skrawaniem.

Kontrolne wzorce chropowatoś ci stanowią normalne wyposaŜenie profilometrów i profilografometrów (co najmniej dwa wzorce dla jednego przyrządu). Są wykonywane ze

stali i odpowiednio utwardzone; powierzchnia wzorca ma profil regularny (np. sinusoidalny) o takich wymiarach, by parametr chropowatości (najczęściej Ra) miał ustaloną wartość, wycechowaną na wzorcu. Profilometr sprawdza się mierząc wzorzec.