Celem ćwiczenia jest:

- zapoznanie się z podstawowymi parametrami chropowatości po­wierzchni, ich określaniem i metodami pomiaru;

- poznanie budowy i zasad działania przyrządów stosowanych do po­miarów wybranych parametrów chropowatości powierzchni.

Chropowatość powierzchni i jej znaczenie

Chropowatość powierzchni są to (wg PN-87/M-04250) elementy struk­tury geometrycznej powierzchni uformowane w czasie procesu jej kształto­wania, nie zawierające falistości i odchyłek kształtu tej powierzchni.

Struktura geometryczna powierzchni jest to zbiór wszystkich punktów powierzchni rzeczywistej, a więc odchyłki kształtu, falistość, chropowa­tość.

Przyczyny powstawania chropowatości powierzchni to: ślady kształtu narzędzia oraz drgania układu obrabiarka - przedmiot - narzędzie.

Chropowatość powierzchni ma bardzo duże znaczenie dla współpracy elementów i ich odporności na zużycie. Istnieje pewna optymalna wartość chropowatości zależna od warunków eksploatacji. Dla lżejszych warunków chropowatość optymalna ze względu na zużycie jest mniejsza.

Wartość chropowatości ma wpływ również na odporność korozyjną i zmęczeniową oraz przewodnictwo elektryczne i cieplne.

Podstawowe określenia i oznaczenia chropowatości

Strukturę geometryczną powierzchni analizuje się w pewnych przekro­jach nazywanych profilami. Profil powierzchni (wg PN-87/M-04256/01) jest to zarys powierzchni - linia przecięcia powierzchni płaszczyzną. Wy­różnia się między innymi: profil nominalny, profil rzeczywisty, profil po­przeczny. Ten ostatni otrzymuje się przy przecięciu płaszczyzną prostopa­dłą do kierunku nierówności.

Ilościowe określenie chropowatości powierzchni opiera się na wyzna­czeniu (pomiarze) parametrów chropowatości. Te z kolei wyznacza się wzglę­dem linii odniesienia.

Linia odniesienia jest to umownie przyjęta linia, w stosunku do której określa się parametry profilu. Linia ta ma kształt profilu nominalnego i jej położenie odpowiada ogólnej orientacji profilu rzeczywistego w przestrze­ni. Istnieją dwa systemy określania linii odniesienia. System M najczęściej stosowany i zalecany przez ISO oraz system E stosowany jeszcze czasem głównie w Niemczech. W systemie M liniami odniesienia są: linia średnia profilu m i linia środkowa profilu.

Linia średnia profilu m jest to linia odniesienia dzieląca profil tak, że w przedziale umownie określonego odcinka L, na którym ocenia się profil, suma kwadratów odchyleń profilu y od tej linii jest minimalna:

Rys 8.1 określenie linii średniej

Linia środkowa profilu to linia odniesienia dzieląca profil tak, że w przedziale umownie określonego odcinka L, na którym ocenia się profil, sumy pól zawartych między tą linią, a profilem po obydwóch jej stronach są jednakowe.

Rys. 8.2 określenie linii środkowej

Chropowatość powierzchni określa się na profilu powierzchni w przedziałach umownie ograniczonych przez odcinek elementarny.

Odcinek elementarny 1 jest to długość linii odniesienia przyjmowana do wyznaczania nierówności charakteryzujących chropowatość powierzchni.

Odcinek pomiarowy l_n to długość odcinka, na którym ocenia się wartość parametrów chropowatości. Może on zawierać jeden lub więcej odcinków elementarnych.

Rys 8.4 Interpretacja odcinka elementarnego i pomiarowego

Wartość odcinków elementarnych są znormalizowane i zależą od wartości chropowatości powierzchni. Długość odcinka elementarnego przyjmuje 6 różnych wartości są to: 25; 8; 2,5; 0,8; 0,25; 0,08 mm.

Chropowatość powierzchni określają parametry wyznaczone w kierunku prostopadłym do linii średniej profilu i równoległym do linii średniej profilu oraz związane z kształtem nierówności profilu. Określenia większości tych parametrów są zawarte w PN - 87/M04256/02.

Do parametrów podstawowych chropowatości powierzchni należą:

Średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości Ra -jest to średnia arytmetyczna wartość bezwzględnych odchyleń profilu y od linii średniej m w przedziale odcinka elementarnego 1.

Rys 8.5. Interpretacja geometryczna parametru Ra chropowatości powierzchni

gdzie: y(x) - równanie profilu chropowatości

W przybliżeniu można Ra wyznaczyć z zależności:

gdzie: y_i - odchylenie i-tego punktu profilu od linii średniej,

n - liczba punktów podziału odcinka elementarnego.

W praktyce wartość R„ określa się w przedziale odcinka pomiarowe­go l_n zawierającego kilka odcinków elementarnych, natomiast odcinek ele­mentarny 1 jest równy wartości filtrów „cut-off'.

Wysokość chropowatości wg J O punktów R_z - średnia arytmetyczna wartość bezwzględnych wysokości pięciu najwyższych wzniesień profilu chropo­watości i pięciu najniższych wgłębień profilu chropowatości w przedziale odcinka elementarnego.

gdzie: y_pi - wysokość i-tego wzniesienia profilu,

y_vi - głębokość i-tego wgłębienia profilu.

Rys 8.6.Wyznaczanie parametru Rz chropowatości powierzchni

Maksymalna wysokość chropowatości Rm - odległość między linią wznie­sień profilu chropowatości a linią wgłębień profilu w przedziale odcinka elementarnego 1.

gdzie: R_p - maksymalna wysokość wzniesienia profilu chropowatości,

R_v - maksymalna głębokość wgłębienia profilu chropowatości.

Sposób wyznaczania parametru R_m chropowatości przedstawia rys.8.7.

Rys 8.7. Wyznaczanie parametru Rm chropowatości

Metody pomiaru chropowatości powierzchni

Metoda porównawcza

Metoda porównawcza polega na ocenie chropowatości poprzez porów­nanie stanu powierzchni przedmiotu z wzorami chropowatości powierzch­ni. Porównanie to może być wizualne, za pomocą lupy, mikroskopu, kom­paratora optycznego lub pneumatycznego czy też przy użyciu dodatkowych przyrządów.

Warunkiem właściwego przeprowadzenia pomiaru są:

- wzorzec i przedmiot muszą być wykonane z tego samego materiału,

- kształt powierzchni wzorca i przedmiotu musi być taki sam (np. pła­ski, wklęsły, wypukły),

- musi być zachowany ten sam rodzaj obróbki powierzchni wzorca i przedmiotu (układ śladów obróbki jednakowy),

- takie same warunki porównania (np. oświetlenie).

Stosowane porównawcze wzorce chropowatości muszą spełniać wyma­gania stawiane przez normę PN-85/M-04254. Dokładność pomiaru przez porównanie nawet przy spełnieniu tych wszystkich warunków jest dość ni­ska i dlatego metodę tę stosuje się tylko w warunkach warsztatowych lub do wstępnego rozpoznania chropowatości przed dalszymi pomiarami.

Metody optyczne

Dokładniejszymi znacznie są metody optyczne, które ze względu na zasadę pomiaru dzielimy na:

1) metodę przekroju świetlnego,

2) metodę cienia,

3) metodę interferencyjną.

Metoda przekroju świetlnego

Zasada pomiaru w tej metodzie polega na przekroju świetlnym badanej powierzchni płaską wiązką światła padającą pod kątem 45° na mierzoną powierzchnię.

Rys 8.11. Zasada pomiaru chropowatości powierzchni metodą przekroju świetlnego l - okular oświetlający, 2 - okular obserwacyjny

Obraz widziany w okularze przedstawia wysokość chropowatości R'. Rzeczywistą wysokość chropowatości R można określić ze wzoru:

Metoda powyższa zastosowana jest w podwójnym mikroskopie Linnika i podwójnym mikroskopie Schmaltza. Mikroskopy podwójne pozwalają na obserwację powierzchni w powiększeniu. Wynika ono z zastosowanych obiektywów i okularów. Obiektywy są wymienne o powiększeniach 7x, 14x, 30x i 60x. Dobiera się je w zależności od chropowatości mierzonej po­wierzchni. Zakres możliwości pomiaru parametrów chropowatości jest jednak znacznie ograniczony. Niemożliwy jest pomiar parametru R_α, a dość niska dokładność pomiaru parametru R_z, gdyż trudno jest określić odcinek elementarny lub ich kilka. Zakres pomiaru parametru R_z wynosi od 0,5 - 50

Metoda cienia

Zasadę przekroju badanej powierzchni za pomocą promienia świetlne­go metodą cienia przedstawia rysunek 8.12.

Rys.8.12. Gładkościomierz optyczny do pomiaru chropowatości metodą cienia (Biernaskiego): a) schemat ideowy, b) schemat układu optycznego, c) widok w okularze, l - źródło światła, 2 - płytka szklana, 3 - kondensor, 4 - przysłona, 5 - zwierciadło

Rys.8.12. c)

Do mierzonej powierzchni przyłożona jest płytka szklana 2, na której nacięte są rysy o głębokości 1-1,5 mm i pewnej odległości wzajemnej. Płytkę oświetla się przez układ optyczny. Rysy rzucają cień na mierzoną powierzchnię, a jego wielkość zależy od podziałki rys i wysokości chropo­watości Zakres przyrządu wynosi l ,6-130 mm. Ze względu na ograniczone możliwości pomiaru parametrów chropowatości poza R_m przyrządy oparte na tej metodzie są rzadko stosowane.

Metoda interferencyjna

Zasada pomiaru w tej metodzie oparta jest na interferencji dwóch wią­zek światła i przedstawiona na rysunku 8.13.

Rys.8.13. Zasada pomiaru mikrointerferometrem

a) schemat przyrządu, b) widok w okularze l - źródło światła, 2 - płytka półprzepuszczalna, 3 • płytka wyrównująca drogi optyczne, 4 - lustro, 5 - obiektyw, 6 - przedmiot, 7 - okular

Wiązka światła ze źródła l zostaje rozdzielona na płytce półprzepusz-czalnej 2. Cześć poprzez obiektyw 5 pada na badaną powierzchnię 6 i wra­ca tą samą drogą. Druga cześć po przejściu przez płytkę wyrównującą dłu­gości dróg optycznych 3 i odbiciu od lustra 4 również wraca tą samą drogą. Obie wiązki spotykają się w płytce półprzepuszczalnej 2, gdzie następuje interferencja. Obraz interferencyjny obserwowany jest przez okular 7.

W wyniku wystąpienia na badanej powierzchni nierówności (chropo­watości, rys, zadrapań) prążki zostają „ugięte" tzn. odbiegają od prostoli-niowości. Wysokość pojedynczej nierówności można obliczyć ze wzoru:

gdzie: λ, - długość fali światła (dla światła białego l Ł 0,6 mm),

Δl - ugięcie prążka,

l - odległość między prążkami.

Wielkości Al, l mierzy się przy pomocy bębna okularu mikrometryczne-go lub ocenia wzrokowo. Zakres pomiaru nierówności przy pomocy mikro-interferometrów wynosi 0,03 ÷ μm.

Metoda stykowa pomiaru chropowatości

Zasada pomiaru stykowego chropowatości powierzchni została przed­stawiona na rys. 8.14. Głowica pomiarowa przyrządu przesuwa się ze stałą prędkością wzdłuż mierzonego profilu.

Głowica pomiarowa składa się z:

- ostrza odwzorowującego (penetratora),

- ślizgacza,

- przetwornika pomiarowego.

Ostrze odwzorowujące dzięki naciskowi pomiarowemu styka się z po­wierzchnią mierzonego przedmiotu. W wyniku przesuwania ostrza po po­wierzchni zmienia się jego położenie względem pozostałych elementów głowicy (w tym płozy ślizgacza). Zmiany położenia zależne są od nierów­ności powierzchni jakie spotyka ostrze na drodze swego ruchu. Przetwor­nik zamienia zmiany wzajemnego położenia ostrza i innych elementów gło­wicy na sygnał elektryczny. Sygnał ten jest wzmacniany i poddany filtracji celem usunięcia niepożądanych składowych jak np. falistość, odchyłki kształ­tu. Sygnał może być zarejestrowany lub poddany obróbce celem wyznacze­nia wartości parametrów chropowatości.

Rys.8.14. Zasada metody stykowej pomiaru chropowatości powierzchni l-mierzony przedmiot, 2-

głowica pomiarowa, 3-mechanizm posuwu, 4-wzmacniacz, 5-filtr, 6-rejestrator, 7-moduł

opracowujący sygnał pomiarowy, 8-wskaźnik

Metoda stykowa pomiaru chropowatości powierzchni jest wykorzysty­wana w wielu przyrządach zwanych profilografometrami. Przyrządy te róż­nią się między sobą głównie rodzajem przetwornika. Mogą one być: induk­cyjne, piezoelektryczne, fotooptyczne, interferencyjne. Coraz częściej pro-filografometry wyposażane są w specjalizowane systemy mikrokomputero­we a obsługa przyrządu odbywa się w formie dialogu z komputerem.

Przebieg ćwiczenia

Sprawdzanie chropowatości badanego przedmiotu metodą wzrokową i dotykową

Sprawdzanie chropowatości badanej powierzchni dokonuje się w celu określenia orientacyjnej wartości parametru R_a chropowatości i długości odcinka elementarnego dla danej próbki.

W dotykowej ocenie chropowatości powierzchni należy przesuwać pa­znokciem po badanej powierzchni, a następnie po wzorcowej odbierając bodźce zależne od chropowatości powierzchni. W ocenie wzrokowej po­równujemy chropowatość przedmiotu z chropowatością wzorców za po­mocą lupy lub bez.

Wyznaczanie parametrów chropowatości metoda przekroju świetlnego przy pomocy podwójnego mikroskopu Schmaltza.

Przed przystąpieniem do pomiarów na mikroskopie podwójnym Schmalt­za należy dobrać odpowiedni dla danej chropowatości powierzchni obiek­tyw podwójny: obserwacyjny i oświetlacza. Obiektywy są wymienne o po­większeniach: 7x, 14x, 30x i 60x. Dla każdego z wymienionych obiekty­wów otrzymujemy inne powiększenie całkowite, a więc każdemu odpowia­da inna wartość działki elementarnej bębna okularu.

Wyznaczanie wartości działki elementarnej bębna okularu dla uprzednio dobranego obiektywu

Do wyznaczenia wartości działki elementarnej bębna okularu stosuje­my wzorzec kreskowy o wartości działki elementarnej W_c =0,01 mm. W tym celu wykonujemy następujące czynności:

a) umieścić wzorzec kreskowy na stoliku pomiarowym mikroskopu, tak aby jego podziałka kreskowa była równoległa do kierunku obserwowanej smugi świetlnej,

b) obrotem bębna okularu ustawić kresę w okularze (przerywana) na pierwszą kreskę wzorca po lewej stronie i odczytać wskazanie bębna pomiarowego a₀ widoczne w polu widzenia okularu,

c) następnie przesuwać przy pomocy bębna okularu kresę celowniczą na odpowiednie kresy wzorca i dokonywać) odczytu wskazania a_n. Ilość działek wzorca i powinna być możliwie duża, wtedy błąd wyznaczenia wartości działki bębna okularu W_l będzie mniejszy. Obliczyć wartość działki elementarnej bębna W_l dla wybranego obiektywu ze wzoru:

Pomiar wysokości chropowatości

Pomiaru wysokości chropowatości dokonujemy w trzech wybranych miejscach pomiarowych próbki (badanej powierzchni). W tym celu należy:

a) umieścić badaną próbkę na stoliku pomiarowym tak by ślady obrób­ki były prostopadłe do smugi świetlnej,

b) obrócić głowicę okularową tak, aby kreska przesuwana widoczna w polu widzenia okularu zajęła położenie poziome równoległe do ogól­nego kierunku ostrego obrzeża obrazu szczeliny świetlnej,

c) ustawić przerywaną kresę stycznie do wierzchołków, a następnie wgłę­bień linii profilowej utworzonej przez obraz szczeliny świetlnej i dokonywać odczytów R₁, R₂ ,....R₁₀ skali okularu mikroskopu,

d) jeśli w polu widzenia nie ma 5 wzniesień i 5 wgłębień należy przesu­nąć próbkę śrubą mikrometryczną wraz ze stolikiem pomiarowym, zwiększając w ten sposób długość odcinka pomiarowego,

e) obliczyć ze wzoru wysokość chropowatości R_z przyjmując wartość działki elementarnej bębna okularu dla pomiaru wysokości chropo­watości:

f) pomiary powtórzyć w trzech miejscach wybranych na powierzchni badanej.

Pomiary chropowatości powierzchni metodą stykową

Do pomiaru chropowatości metodą stykową wykorzystuje się profilo-grafometr MEIO firmy Carl Zeiss Jena. Przed przystąpieniem do pomiaru należy zapoznać się z instrukcją obsługi i zasadą działania przyrządu.

Pomiar parametru R_α chropowatości powierzchni

Przed przystąpieniem do pomiaru należy ustalić wartość odcinka ele­mentarnego dla danej powierzchni na podstawie wcześniejszych po­miarów. Wartość odcinka elementarnego l odpowiada cut-off na przyrzą­dzie.

Przy pomiarze parametru R_α postępować zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu, zwracając uwagę aby próbka była ustawiona równolegle do przesuwu głowicy pomiarowej.

„Poziomowanie" próbki odbywa się przy pomocy stolika, na którym mocujemy badaną próbkę. Dokonać 5 odczytów parametru chropowatości R_α w różnych miejscach powierzchni mierzonej.

Pomiar parametru R_z i R_m chropowatości powierzchni

Wykonać profilogram (wykres) chropowatości powierzchni przy pomo­cy rejestratora, korzystając z instrukcji obsługi. W czasie wykonywania wykresu należy tak dobrać powiększenie pionowe i poziome aby wykres był czytelny. Powiększenie pionowe ustawia się na wzmacniaczu, natomiast poziome dobierając odpowiednio prędkości przesuwu głowicy pomiarowej i papieru rejestratora. Z wykresu wyznaczyć parametry R_z i R_m , a chropowatości na trzech różnych odcinkach elementarnych 1.

Protokół z pomiarów

Protokół z pomiarów powinien zawierać:

1) Wyniki wyznaczenia wartości działki elementarnej bębna okularu mikroskopu Schmaltza dla wybranego obiektywu.

2) Wyniki pomiaru wysokości chropowatości powierzchni mikroskopu Schmaltza.

4) Wyniki pomiaru parametru R_e chropowatości powierzchni (z profi-lografometru ME 10).

5) Wyniki pomiaru parametru R_z i R_m z profilogramu.

Sprzęt pomiarowy

- wzorce chropowatości powierzchni,

- mikroskop podwójny Schmaltza,

• profilografometr ME 10.

---