15. Оценка качества обработанных поверхностей 15 Методика измерения шероховатости и волнистости 15 Общие положения и определения
 Скачать 194 Kb.
|
|
15. Оценка качества обработанных поверхностей 15.1. Методика измерения шероховатости и волнистости 15.1.1. Общие положения и определения. Поверхность обработанной детали не является идеально ровной и геометрически правильной. Она отличается от номинальной (заданной чертежом) микро- и макрогеометрическими отклонениями. Микрогеометрические отклонения определяют шероховатость поверхности, макрогеометрические - характеризуют волнистость и отклонения формы. Между этими видами погрешностей нет четкого физического различия, однако условно их можно разделить по отношению шага S к значению отклонения от номинального контура. Неровности, для которых отношение S/ < 40, относят к шероховатости, при 1000 > S/ > 40 - к волнистости, при S/ > 1000 - к отклонениям формы. Шероховатость поверхностей регламентируется ГОСТ 2789-73 и соответствующими рекомендациями. Шероховатость поверхности при обработке заготовки детали зависит от многих технологических факторов: режимов обработки (скорости резания, подачи); геометрии (переднего и заднего углов), материала и качества поверхности инструмента; механических свойств, химического состава и структуры материала заготовки; состава смазывающе-охлаждающей жидкости; жесткости системы СПИД и др. В то же время шероховатость поверхностей в значительной степени определяет основные эксплуатационные свойства деталей и узлов - износостойкость, сопротивление усталости, надежность посадок, контактную жесткость и теплопроводность стыков сопряженных деталей, коррозионную стойкость, герметичность соединений, отражающую и поглощающую способность поверхностей и др. Поэтому характеристики шероховатости поверхности строго нормируются и подвергаются постоянному анализу в технологических исследованиях и контролю в процессе производства. Оценка точности результатов измерений микронеровностей поверхностей производится общепринятыми в метрологии методами. Однако при оценке шероховатости поверхности возникают и некоторые специфические метрологические проблемы. Чертежом, как правило, задаются требования к шероховатости всей рабочей поверхности детали. Контроль соблюдения этих требований осуществляется обычно по некоторому числу профилей ограниченной длины. При этом возникают вопросы: какой длины должен быть каждый обследуемый профиль, т.е. участок измерения; сколько должно обследоваться таких участков; какие участки выбирать для измерений, чтобы оценить качество поверхности в целом. Оценку шероховатости поверхности можно производить комплексно (путем сравнения с эталонной поверхностью или другими способами) либо поэлементно, измеряя отдельные параметры шероховатости поверхности. Поскольку в технологических исследованиях поэлементная оценка шероховатости более распространена, рассмотрим некоторые из указанных методов. 15.1.2. Оптические методы измерения шероховатости. Измерение параметров шероховатости оптическими приборами производится бесконтактными методами, среди которых наибольшее распространение получили методы светового сечения, теневого сечения, микроинтерференционные, с применением растров.  Метод светового сечения заключается в следующем: пучок световых лучей, поступающих от источника света через узкую щель 3 (рис.15.1, а) шириной около 0,1 мм, направляется объективом 2 под углом на контролируемую поверхность 1. Отражаясь от этой поверхности, лучи через объектив 5 переносят изображение щели в плоскость фокуса окуляра 6. Если контролируемая поверхность является идеально ровной, то в окуляре щель будет иметь вид светящейся прямой линии (обычно зеленого цвета). Если на поверхности имеется канавка, то в плоскости окуляра наблюдается искривленная светящаяся линия (рис.15.1, б). При глубине канавки, равной Н, ее световое сечение b=H/sin, размер же светового сечения канавки в плоскости объектива b1 = bVx, где Vх— увеличение объектива микроскопа.Измерение b1 осуществляется с помощью окулярного микрометра, перекрестие которого перемещается на угол =45° и при этом оценивается b2. Если пучок световых лучей направить на контрольную поверхность под углом =45°, то b2 = b1/sin=H/(sinsin) Vx, откуда Н = b2/(2 Vx). Если на расстоянии 0,1 мм от контролируемой поверхности установить линейку 4 со скошенным ребром, то последнее срежет часть пучка света, и на контролируемой поверхности будет видна тень, отбрасываемая линейкой. Верхний край тени, являющийся как бы лезвием ножа, отражает профиль изучаемой поверхности, который и рассматривают в микроскоп (метод теневого сечения). По принципу светового сечения работают двойной микроскоп МИС-11 и прибор ПСС-2, по принципу теневого сечения – прибор ПТС-1. Эти приборы позволяют измерять неровности поверхности высотой от 0,8 до 63 мкм при погрешности показаний от 24 до 7,5% при наличии четырех пар сменных объективов ОС-39, ОС-40, ОС-41, ОС-42. Прибор ПСС-2 представляет собой усовершенствованную модель ранее выпускающегося прибора МИС-11. Поле зрения у прибора ПСС-2 при работе со всеми объективами соответствует базовым длинам участков измерений по ГОСТ 2789-73. Оба прибора позволяют определять параметры Rz, Rmax и S, а также фотографировать микронеровности. Прибор ПТС-1 применяется для оценки параметров шероховатости грубо обработанных поверхностей с высотой неровностей Rz от 320 до 80 мкм. Прибор накладной, что позволяет контролировать детали без снятия их со станка. Микроинтерференционный метод реализуется с помощью приборов МИИ-4, МИИ-5, МИИ-15, МИИ-9, МИИ-10, предназначенных для лабораторных измерений параметров Rz и S и фотографирования микронеровностей чистых поверхностей с Rz = 0,03...1 мкм. Принцип устройства микроинтерферометра В.П. Линника – сочетание интерферометра Майкельсона с измерительным микроскопом, что позволяет в поле зрения микроскопа увеличенное в нужное число раз изображение интерференционной картины и измерять координатным методом вырисовывающиеся неровности с помощью обычного винтового окулярного микрометра. В местах выступов и впадин на исследуемой поверхности интерференционные полосы искривляются. Степень искривления полос и характеризует неровность поверхности.  На рис.15.2 приведена интерферограмма поверхности, сфотографированная на МИИ. Каждая интерференционная полоса на ней представляет собой изображение полосы профиля поверхности. Высоты микронеровностей (мкм) определяют путем измерения искривления интерференционной полосы а по отношению к интервалу полос b(рис.15.3): R=a/b/2=0,275a/b(- длина световой волны; наиболее часто =0,55 мкм). В тех случаях, когда необходима определить и шаг неровностей, его подсчитывают по формуле S=2atg (/2), где - угол профиля, измеряемый при помощи окулярного микровинта. Идея растрового метода заключается в следующем. Если на испытываемую поверхность наложить стеклянную пластинку, на которую нанесены с малым шагом штрихи (растровая сетка), при наклонном падении лучей отраженная растровая сетка накладывается на штрихи самой сетки и наблюдаются муаровые полосы. На основе этого явления предложена методика измерения высот неровностей поверхностей с помощью растрового микроскопа. Растровый измерительный микроскоп ОРИМ-1 предназначен для измерения высоты неровностей (от 0,4 до 40 мкм) наружных поверхностей деталей со следами обработки, имеющими определенное преимущественное направление.При оценке шероховатости поверхностей сложной формы и в случае трудного доступа к исследуемой поверхности применяют так называемый метод слепков, заключающийся в снятии копий (как правило, «негативных») поверхностей для последующего измерения по ним высоты неровностей. Неровности на слепках можно измерять как с помощью оптических, так и щуповых приборов. В частности, для этого используют приборы МИС-11, ПСС-2, электромеханические профилографы-профилометры. Материалы для изготовления слепков – легкоплавкие сплавы; воск; целлулоид; гипс; масляная гуттаперча; парафин; кинопленка, растворенная в ацетоне, и др. Наилучшим из них является масляно-гуттаперчевая масса. 15.1.3. Щуповой метод измерения параметров шероховатости. При щуповом (контактном) методе измерения неровностей поверхности в качестве щупа используют остро заточенную иглу, поступательно перемещающуюся по определенной трассе относительно поверхности. Ось иглы располагают по нормали к поверхности. Опускаясь во впадины, а затем поднимаясь на выступы во время движения ощупывающей головки по испытуемой поверхности, игла колеблется относительно головки соответственно огибаемому профилю. Механические колебания иглы преобразуются, как правило, в электрические при помощи электромеханическогопреобразователя того или иного типа. Снятый с преобразователя полезный сигнал усиливают, а затем измеряют его параметры, характеризующие неровности исследуемой поверхности (профилометрирование), или записывают параметры профиля поверхности в заранее выбранных вертикальном и горизонтальном масштабах (профилографирование). Щуповые электромеханические приборы, предназначенные для измерений параметров шероховатости поверхности, называют профилометрами, а такие же приборы для записи неровностей поверхности - профилографами. Профило-графы позволяют не только записывать профиль поверхности, но и измерять параметры шероховатости. Поэтому их называют профилографами-профилометрами. В щуповых приборах для измерения параметров шероховатости поверхности применяются индукционные, индуктивные, электронные и пьезоэлектрические преобразователя механических колебаний иглы в электрические сигналы. Ранее в электромеханических щуповых приборах использовались индукционные преобразователи, в витках катушки которых наводилась электродвижущая сила при перемещении в поле постоянного магнита катушки под действием измерительной иглы (в США - прибор Аббота, в СССР - КВ-7). Теперь преимущественное распространение получили индуктивные преобразователи (приборы моделей 201, 202, 240 и 252 в СССР, «Телисурф-4», «Телисурф-10» в Англии, «Перт-о-метр-34В» в ФРГ, «Профикордер» в США и др.).  Принцип действия индуктивного преобразователя рассмотрим на примере профилографа-профилометра модели 201. Электрическая часть прибора (рис.15.4) включает в себя электронный блок 7, показывающий 8 и записывающий 9 приборы. Магнитная система датчика представляет сердечник 2 с двумя катушками 1. Катушка датчика и две половины первичной обмотки дифференциального входного трансформатора 6 образуют балансный мост, который питается от генератора звуковой частоты 5. При перемещении датчика относительно исследуемой поверхности алмазная игла 4, ощупывая неровности поверхности, приводит в колебательное движение коромысло 3. При этом меняются воздушные зазоры между якорем и сердечником, а следовательно, и напряжение на выходе дифференциального трансформатора. Оно усиливается электронным блоком 7, на выходе которого подключены записывающий или показывающий приборы.Электронный механотронный преобразователь представляет собой электронную лампу с подвижным электродом (обычно анодом), на выведенном из баллона конце которого укреплена ощупывающая исследуемую поверхность игла. В ряде конструкций щуповых приборов («Брюэль и Кьер» в Дании, «Филлипс» в Голландии, «Тейлор-Гобсон-105» в Англии, «Швистул» в Швейцарии, «Хоммель-Тестер-Р» в ФРГ, «Сурфком-1» в Японии, ДБ-1 в СССР и др.) применяются пьезоэлектрические преобразователи. Пьезо-преобразователь выполняют в виде элемента, склеенного из двух пластин пьезоэлектрика (титанат бария, титанат циркония, сегнетова соль и др.) и имеющего на конце иглу. Нормальные к исследуемой поверхности смещения иглы вызывают деформацию элемента, а вследствие асимметрии кристаллической структуры пьезоэлектрика - пропорциональное этой деформации напряжение на выходе преобразователя. Точность, размеры и технические условия эксплуатации профилографов-профилометров регламентированы ГОСТ 19299 -73 и ГОСТ 19300 - 73. Проверяются профилографы согласно ГОСТ 8.241 - 77 и ГОСТ 8.242 - 77. В настоящее время в технологических лабораториях чаще всего используются профилографы-профилометры блочной конструкции (модели 201). Прибор имеет малое измерительное усилие (не более 1 мН при градиенте усилия до 5 мкН/мкм), благодаря чему можно измерять параметры шероховатости деталей с покрытиями без их повреждения, деталей из цветных металлов, пластмасс и других неметаллических материалов. Прибор оценивает параметр шероховатости Raв пределах от 0,04 до 8 мкм на базовых длинах от 0,08 до 2,5 мм и записывает профиль с высотой неровностей от 0,05 до 20 мкм на прямолинейных трассах поверхностей (плоскостей, образующих цилиндров, конусов и т.п.). Погрешность показаний прибора не превышает ±10%, а погрешность записи - ±4%. Он позволяет произвести запись профиля плоской и цилиндрической поверхностей вдоль образующей на длине до 40 мм; в отверстиях диаметром 8...20 мм - на глубине до 10 мм, а в отверстиях диаметром 20...45 мм - до 100 мм. Прибор снабжается приспособлением для записи волнистости поверхности. По профилограммам, записываемым на электротермической бумаге шириной 80 мм, можно определить все нормируемые ГОСТ 2789-73 параметры шероховатости поверхности указанных поверхностей. Профилограф-профилометр модели 202 более универсален. Этот прибор укомплектован специальными устройствами, позволяющими записывать профиль и измерять параметр Raи на криволинейных поверхностях с радиусом не менее 50 мм, шариках и роликах диаметром 1...25 мм, зубьях зубчатых колес, в малых отверстиях диаметром не менее 3 мм на глубине до 5 мм. Профилограф-профилометр модели 252 с цифровой индикацией результатов предназначен для измерения параметров шероховатости Ra(от 0,02 до 100 мкм), Нmax и Нmin (от 0,1 до 100 мкм), tp(90 - 100%), числа шагов Кр(до 1000) и для записи профиля на прямолинейных трассах поверхностей. Наименьший диаметр проверяемого отверстия составляет 3 мм при глубине до 5 мм. Профилометр модели 240 - переносной прибор для оценки шероховатости поверхностей по параметру Ra(2,5...0,025 мкм) в цеховых условиях. Портативный профилометр модели 253 предназначен для измерения параметра Raв цеховых условиях. Диапазон измерения Ra - от 0,04...2,5 мкм на базовой длине 0,25; 0,8; 2,5 мм. В приборе использован механотронный преобразователь. Разработана модель портативного переносного щупового прибора с индуктивным преобразователем. Прибор используется для измерения стандартных параметров шероховатости и записи профиля поверхности. Диапазон измерения высоты микронеровностей - 0,5...400 мкм, базовые длины - 0,08...25 мм, длины трасс ощупывания - 3...100 мм, скорости трассирования - 3, 10, 30, 50, 100 мм/мин. Промышленностью выпускаются щуповые приборы специального назначения, в частности для измерения параметров шероховатости поверхностей колец подшипников (модель 261 и др.). К наиболее распространенным зарубежным профилографам-профилометрам принадлежат приборы «Телисурф» (Англия), «Перт-о-метр», «Перт-о-граф» (ФРГ), «Профикордер», профилометр фирмы Бендикс (США) и др. 15.2. Методика измерения погрешностей формы поверхностей Для оценки отклонений от круглости (овальности), огранки, волнистости тел вращения в сечениях, перпендикулярных к их осям, используются кругломеры моделей 218, 255, ВЕ-20А и ВЕ-37, регистрирующие результаты измерений электротермическим способом на круглограммах в полярных координатах. Из зарубежных кругломеров наиболее известным является «Телиронд» (Англия). В этих приборах применены индуктивные ощупывающие головки. Белорусско-Российским университетом совместно с Белгосуниверситетом модернизирован профилометр-профилограф модели 201 путем его автоматизации на основе ЭВМ и наделения его способностью регистрировать отклонения от круглости и строить круглограммы. Для экспериментальной оценки круглости деталей применяются однотипные образцы с центровыми гнездами. Запись их круглограмм производится с использованием измерительного комплекса и профилометра – профилографа, работающего в соответствии со схемой. Схема записи круглограмм при использовании данного средства измерения приведена на рис.15.5.  При записи круглограмм в качестве первичного преобразователя использовался индукционный датчик 9, применяемый в профилометрах-профилографах модели 201, которые выпускаются Московским заводом «Калибр». Сигнал от первичного преобразователя регистрировался при вращении исследуемого образца в количестве 2500 раз за один его оборот по команде, соответствующей формированию каждого импульса от преобразователя 6 ВЕ-178А угловых перемещений, который при измерении круглости связан с вращающимся образцом при помощи жесткого вращающегося центра 5. Зарегистрированные сигналы от индукционного датчика для каждого образца, т.е. для каждого эксперимента, сохранялись в виде отдельных файлов, которые затем по специальным программам подвергались математической обработке и представлялись в виде графика развертки профилограммы. Так же, как и при исследовании кинематических погрешностей, результаты обработки экспериментальных данных затем экспортировались в среду Microsoft Excel, где и сохранялись в виде Excel – файлов. Известно, что при исследовании точности обработки деталей с номинальной цилиндрической поверхностью широко используют методы спектрального анализа. В соответствии с этим методом, функцию погрешности формы обработанной поверхности Δ для любого поперечного сечения можно представить в виде ряда Фурье с конечным числом членов k = n:  ,в котором коэффициенты определяются соотношениями  ;  ;  .При таком представлении функции Δ члены ее разложения имеют определенный физический смысл. Нулевой член разложения а0/2 равен среднему значению функции за период Т = 2p. Эта величина характеризует отклонение размера и не зависит от полярной координаты j. Первый член разложения  характеризует эксцентриситет с амплитудой  и фазой j1. Второй член ряда Фурье характеризует овальность, третий – огранку с трехвершинным профилем и т.д. Последующие члены ряда характеризуют волнистость в поперечном сечении, а при больших значениях k – шероховатость. Учитывая это обстоятельство, при исследовании круглости и разложении функции Δ в ряд Фурье обычно ограничиваются первыми 5-7 гармоническими составляющими.Наибольшее отклонение от круглости обработанных на металлорежущих станках деталей в разных странах определяют по-разному:
При этом в зависимости от метода измерения круглости различия в ее величине не превышают 10%, а потому для анализа можно пользоваться любым способом. Однако наиболее подходящим для измерения круглости при помощи ЭВМ является метод измерения отклонений от средней окружности. В этом случае отклонение от круглости соответствует размаху развертки реального профиля, который можно легко измерить при проведении исследований. Овальность можно оценить как наибольшую полуразность взаимно перпендикулярных диаметров реального профиля. На рис.15.6 представлены результаты измерения круглости поверхности (круглограмма, ее развертка и амплитудно-частотный спектр). Видно, что отклонение от круглости образца, составляет 0,13 мм. При этом амплитуда каждой из представленных на рис.15.6,в гармонических составляющих округлости существенно меньше ее наибольшей величины. а б в  Рис.15.6 - Круглограмма (а), развертка (б) и амплитудно-частотный спектр (в) профиля поверхности, обработанной точением при n = 250 об/мин, t = 1 мм, s = 0,1 мм/об Дискретные амплитудно-частотные спектры круглограмм, полученные при точении образцов с различными частотами вращения шпинделя показали, что наиболее значимыми составляющими спектра являются первая и вторая гармонические составляющие. Первая гармоника имеет величину в пределах 0,05 – 0,09 мм, а вторая - 0,02 – 0,04 мм. Гармонические составляющие с номерами 3 – 6 характеризуются значениями своих амплитуд, не превышающими 0,01 мм. Более высокочастотные составляющие имеют незначительные амплитуды, соответствующие уровню шероховатости обработанных поверхностей. Все круглограммы имеют похожий вид, отклонение от круглости достигает 0,33 мм, а овальность – 0,13 мм. |