POMIAR CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI - Marta Bogdan

POMIAR CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI - Marta Bogdan

POLITECHNIKA OPOLSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji
Ćwiczenie nr
5
TEMAT:
POMIAR CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI
ZADANIA DO WYKONANIA:
1. stosując metodę wzrokowo-dotykowego porównania z wzorcami
chropowatości ocenić chropowatość wskazanych powierzchni, zapisać
wartość parametru Ra i Rz,
2. Wyznaczyć wartość parametru Rz dla wskazanej powierzchni za
pomocą mikroskopu podwójnego Carl Zeiss-Jena.
ZAŁĄCZNIKI:
• PN-87/M-04251 Struktura geometryczna powierzchni, Chropowatość
powierzchni, Wartości liczbowe parametrów,
• Podstawowe określenia chropowatości powierzchni.
M. Bartoszuk , Z. Zalisz, Opole 2002 r.
I. Wprowadzenie
Stosowane w praktyce metody sprawdzania i pomiaru chropowatości
powierzchni można podzielić na trzy zasadnicze grupy:
1. Porównanie z wzorcami,
2. Pomiar metodami optycznymi,
3. Pomiar metodą stykową
Podstawowe parametry chropowatości wg PN-87/M-04250, PN-87/M04256/01 i PN-87/M-04256/02 (załącznik 1) to:
Ra - średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości
Rz - wysokość chropowatości według 10 punktów
Rm – maksymalna wysokość chropowatości
Sm – średni odstęp chropowatości
S - średni odstęp miejscowych wzniesień profilu chropowatości,
tp – współczynnik długości nośnej profilu chropowatości.
Oprócz wymienionych stosuje się do opisu mikrogeometrii powierzchni
szereg innych parametrów w zależności od potrzeby i preferencji
branżowych (załącznik 2).
Parametr Ra stosuje się jako uprzywilejowany w odniesieniu do
pozostałych parametrów chropowatości.
1. Porównanie z wzorcami chropowatości
Metoda ta polega na porównaniu chropowatości powierzchni
przedmiotów z chropowatością wzorców za pomocą komparatorów
optycznych względnie pneumatycznych, lub bez użycia przyrządów
pomocniczych.
Bezpośrednią wzrokowo-dotykową ocenę przez porównanie z
wzorcem można stosować dla powierzchni o wysokości nierówności Ra
większej od około 0,2 µm. Przy niższej wartości parametru Ra konieczne
staje się zastosowanie mikroskopu o rozdwojonej osi optycznej
(komparatora optycznego).
Wzorce chropowatości są najbardziej znanym sposobem kontroli
wymagań gładkościowych w odniesieniu do powierzchni metalowych.
2
Aby jednak można było posługiwać się nimi muszą być spełnione
następujące warunki:
- wzorzec i porównywany z nim przedmiot powinny być wykonane z
takiego samego lub podobnego materiału,
- kształt obu porównywanych powierzchni powinien być zbliżony,
- sposób obróbki obu porównywanych powierzchni powinien być taki
sam, a wzajemne usytuowanie powierzchni wzorca i przedmiotu w
trakcie ich porównywania takie, aby układ śladów obróbki na obu
powierzchniach był zgodny co do kierunku.
Przed oceną należy starannie oczyścić zarówno powierzchnię wzorca,
jak i powierzchnię z nim porównywaną. Porównanie bezpośrednie
metodą wzrokowo dotykową należy przeprowadzać w stałych warunkach
zewnętrznych takich samych dla obu powierzchni. Najpierw dokonuje się
porównania wzrokowego obserwując jednocześnie obie powierzchnie, a
następnie porównania dotykowego przez kilkakrotne przesuwanie
paznokciem (lub miękkiej blaszki o stępionych krawędziach) na
przemian po obu powierzchniach ze stałą prędkością rzędu 3 ÷ 5 cm/s.
Należy przy tym pamiętać, że równoczesne posługiwanie się wzrokiem i
dotykiem prowadzi do błędów w ocenie. Dokładniejsze wyniki uzyskuje
się przy stosowaniu metody dotykowej, umożliwiającej teoretycznie
wyczuwanie zmian w wysokości chropowatości badanych powierzchni
rzędu 0.1 ÷ 0.2 µm.
2. Pomiar chropowatości powierzchni metodą optyczną
Do pomiaru chropowatości metodami optycznymi używane są
przyrządy działające na zasadzie nieniszczącego przekroju badanej
powierzchni za pomocą promienia świetlnego (umożliwiające pomiar
chropowatości w zakresie Rz od 0,5 do 60 µm) oraz przyrządy działające
na zasadzie interferencji światła, dające możliwość pomiaru
chropowatości powierzchni w zakresie Rz od 0,03 do 2 µm.
Do niekorzystnych cech optycznych metod pomiaru chropowatości
należą:
- możliwość pomiaru tylko na powierzchniach bezpośrednio
dostępnych do obserwacji przez układ optyczny (w przeciwnym
przypadku trzeba wykonywać repliki, co stanowi dodatkowe
utrudnienie i przedłuża czas pomiaru, wprowadzając przy tym
dodatkowe błędy),
- ograniczony zakres pomiarowy i niewielkie pole widzenia,
3
- możliwość pomiaru bezpośredniego
wysokościowego (np. Rz).
tylko
parametrów
typu
Do przyrządów działających na zasadzie przekroju świetlnego
badanej powierzchni należy mikroskop podwójny firmy Carl Zeiss-Jena,
zwany też gładkościomierzem optycznym (rys. 1.). Schemat pomiaru tym
narzędziem pokazano na rys. 2.
Rys. 1. Mikroskop podwójny firmy C. Zeiss-Jena; 1 – podstawa, 2 – stolik pomiarowy, 3 –
głowica pomiarowa, 4 – korpus głowicy, 5 – okular, 6 – przesuw linii pomiarowej, 7,8 –
pokrętła ustawiania szczeliny świetlnej, 9 – przesuw dokładny, 10 – dźwignia wymiany
obiektywu, 11 – wymienny obiektyw, 12 – głowica odczytowa, 13 – przesuw zgrubny.
4
a)
b)
odczyt: 238 działek
Rys. 2. Zasada pomiaru mikroskopem podwójnym: a) schemat układu pomiarowego, b) pole
widzenia w okularze; 1 – źródło światła, 2 – przysłona, 3 – przedmiot,
4 – bęben mikrometryczny
Pomiar wysokości nierówności sprowadza się do odczytania w
okularze pozornej wysokości nierówności R′ (w działkach) oraz do
przeliczenia jej na rzeczywistą wysokość nierówności zgodnie ze
wzorem:
R = α⋅
2
⋅ R′ [µm]
2
(1)
gdzie: α - oznacza współczynnik wynikający z powiększenia układu
optycznego mikroskopu (tablica. 1.)
5
Tablica1.
Wartość działki elementarnej w e mikroskopu dla różnych powiększeń
obiektywów α i zakresów pomiarowych chropowatości.
Zakres pomiarowy Powiększenie
chropowatości
obiektywu
α
µm
15 ÷ 50
×7
5 ÷ 15
× 14
1.5 ÷ 5
× 30
0,5 ÷ 1.5
× 60
Wartość działki
elementarnej
w e [µm]
1,79
0,89
0,41
0,21
Pole widzenia
[mm]
2,5
1,3
0,6
0,3
Ostatecznie otrzymamy:
R = w e ⋅ R′
[µm]
gdzie: w e - oznacza wartość działki elementarnej (po
uwzględnieniu współczynnika
2
i powiększenia α
2
układu optycznego).
Przy pomiarze chropowatości należy używać takiego obiektywu,
aby w zakresie pola widzenia znajdował się cały odcinek elementarny.
Wartość
działki
elementarnej
bębna
odczytowego
okularu
mikrometrycznego jest więc różna dla różnych obiektywów, a ponadto
zależy też od właściwości oka mierzącego.
3. Pomiar chropowatości powierzchni metodami stykowymi
W przyrządach zbudowanych w oparciu o metodę stykową, po
mierzonej powierzchni jest przesuwana (w sposób ciągły lub ze
skokowym unoszeniem) końcówka pomiarowa. Pionowe jej
przemieszczenia
odpowiadające
nierównościom
powierzchni
rejestrowane są za pośrednictwem układu mechaniczno-optycznego lub
elektrycznego w postaci wykresu na taśmie rejestrującej lub jako ciąg
sygnałów elektrycznych i są przetwarzane na wskazania parametru
charakteryzującego zbiorczo nierówność powierzchni na danym odcinku
pomiarowym. Przyrządy uniwersalne, umożliwiające uzyskanie zarówno
wartości określonego parametru chropowatości, jak też wykresu profilu
6
powierzchni, określa się nazwą profilografometrów. Do dużej
popularności i rozpowszechnienia tych urządzeń w przemyśle,
szczególnie w wersji przenośnej (zminiaturyzowanej), przyczyniły się
następujące ich zalety praktyczne:
- krótki czas pomiaru,
- możliwość przeprowadzania pomiarów bezpośrednio na przedmiotach
bez ich zdejmowania z obrabiarek,
- możliwość pomiaru chropowatości otworów,
- możliwość uzyskania utrwalonego wyniku pomiaru (profilograf) lub
bezpośredniego odczytu parametru (profilometr),
- szeroki zakres pomiarowy (Ra od 0,01 do 50 µm) umożliwiający
pomiar niemal wszystkich powierzchni występujących w warunkach
przemysłowych,
Mimo wielu swoich zalet przyrządy służące do stykowych
pomiarów chropowatości posiadają też wady, do których należą:
- niedokładność odwzorowania profilu rzeczywistego wynikająca z
promienia zaokrąglenia końcówki pomiarowej,
- wpływ odchyłek kształtu i falistości, nie zawsze możliwych do
wyeliminowania na drodze mechanicznej lub elektrycznej,
- wpływ elementów układu elektrycznego.
Pomiar chropowatości powierzchni za pomocą profilogrfometru
polega na polega na odtworzeniu profilu przez ostrze odwzorowujące
(rys. 3.), które przemieszcza się stykowo po badanej powierzchni wzdłuż
określonego odcinka pomiarowego. Ostrze prowadzone jest przez
ślizgacz i jest związane z przetwornikiem (mechanicznym,
pneumatycznym lub mechaniczno-elektrycznym) tworząc łącznie
głowicę pomiarową. Aby uzyskać najbardziej wierne odwzorowanie
profilu przez przetwornik, ostrze odwzorowujące powinno mieć bardzo
mały promień zaokrąglenia (stosowane wartości wynoszą od 1,5 do 12,5
µm) oraz minimalny nacisk pomiarowy (0,0004 ÷ 0,06 N). Wielkość
zaokrąglenia końcówki jest ograniczona z jednej strony koniecznością
docierania
(penetracji)
ostrza
we
wgłębienia
między
mikronierównościami dla prawidłowego odtworzenia ich kształtu, z
drugiej zaś strony dostatecznym polem styku dla ograniczenia nacisku,
który nie powinien powodować trwałych odkształceń nierówności ani
zarysowań powierzchni. Ślizgacz spełnia rolę mechanicznego filtru, a
ponadto stanowi osłonę przed mechanicznym uszkodzeniem ostrza.
Nadane przez ostrze odwzorowujące impulsy są poprzez przetwornik i
wzmacniacz kierowane do urządzenia wskazującego lub rejestratora.
7
Rys. 3. Zasada pomiaru profilografometrem; 1 – ostrze wzorujące, 2 – ślizgacz,
3 – przetwornik, 4 – wzmacniacz, 5 – urządzenie wskazujące, 6 – rejestrator
II. Metodyka pomiaru chropowatości powierzchni
Przy pomiarze chropowatości powierzchni przyjmuje się
następujący tok postępowania:
Przygotowanie powierzchni. Powierzchnię przeznaczoną do pomiaru
należy dokładnie oczyścić, najlepiej przemyć alkoholem lub acetonem.
Nie należy stosować do czyszczenia proszków, papierów ściernych,
skrobaków, kwasów itp.
Ustalenie miejsca pomiaru. Przez obserwację gołym okiem lub przy
użyciu lupy należy dobrać co najmniej 3 miejsca pomiarowe, mające
strukturę geometryczną typową dla całej lub przeważającej części
powierzchni.
Ustalenie przypuszczalnej wartości parametru chropowatości.
Porównując mierzoną powierzchnię z wzorcami chropowatości należy
określić orientacyjną wartość nierówności powierzchni, stosując metodę
wzorcowo-dotykową. Ponieważ do opisu chropowatości stosowano
równie często parametr Ra jak i Rz poniżej zamieszczono zestawienie
porównawczych wartości obu parametrów (tablica 2).
Dobór długości odcinka elementarnego. Po dokonaniu orientacyjnej
oceny wysokości nierówności należy – uwzględniając rodzaj obróbki
powierzchni – dobrać zalecaną długość odcinka elementarnego według
wartości podanych w tablicy 3.
8
Dobór kierunku pomiaru. Zasadą ogólną doboru kierunku pomiaru jest to
aby zapewniał on pomiar profilu chropowatości odtwarzającego
nierówności wymiarowo większe, decydujące o kierunkowości struktury
powierzchni w ustalonych uprzednio miejscach pomiaru. Kierunek ten w
zasadzie jest zawsze prostopadły do śladów obróbki. Jedynie dla
bezkierunkowej struktury powierzchni, kierunek pomiaru przyjmuje się
dowolnie.
Dobór narzędzia pomiarowego. Dobierając narzędzie pomiarowe należy
wziąć pod uwagę kształt geometryczny i rozmiary mierzonego
przedmiotu, decydujące niejednokrotnie o możliwości zastosowania
jednego z posiadanych urządzeń do pomiaru chropowatości. W
niektórych przypadkach cechy geometryczne przedmiotu uniemożliwiają
przeprowadzenie pomiarów. Bardzo przydatne mogą być wówczas
negatywy powierzchni, zwane replikami. Pomiar wysokości tak
odwzorowanych nierówności odbywa się po dostarczeniu repliki do
laboratorium.
Wielokrotność pomiaru. Dla określenia chropowatości badanej
powierzchni przeprowadza się zazwyczaj trzy lub pięć pomiarów w
obrębie ustalonych miejsc pomiaru. Średnia arytmetyczna z tych
pomiarów charakteryzuje chropowatość danej powierzchni w sposób
wystarczający tylko wtedy gdy wszystkie zmierzone wartości danego
parametru są zbliżone do siebie. W przeciwnym razie należy zwiększyć
liczbę pomiarów, podając ją przy obliczonej wartości średniej łącznie z
wartościami skrajnymi.
W celu wyznaczenia wartości parametru Rz za pomocą mikroskopu
podwójnego Carl Zeiss-Jena należy:
a. dobrać odpowiedni obiektyw i założyć go na mikroskop,
b. ustalić 3 miejsca pomiarowe równomiernie rozłożone na
powierzchni badanej,
c. położyć badany przedmiot na stolik tak, aby ślady obróbki na
sprawdzanej powierzchni miały kierunek zgodny z kierunkiem
płaszczyzny przechodzącej przez osie obu obiektywów,
d. za pomocą pokręteł przesuwu zgrubnego i dokładnego osiągnąć
pojawienie się ostro widocznego obrazu w połowie wysokości
pola widzenia,
9
e. ustawić szczelinę świetlną (lub obraz włosa) na ostro widoczną
część obrazu,
f. sprawdzić czy w polu widzenia znajduje się 5 wierzchołków i 5
wgłębień nierówności profilu,
g. sprawdzić i ewentualnie skorygować położenie linii
pomiarowej w okularze (powinna być ona równoległa do zarysu
powierzchni),
h. pokrywając linię pomiarową (pokrętłem 6, Rys.1) z
wierzchołkami i wgłębieniami profilu dokonać odczytów
wskazań głowicy odczytowej dla kolejnego wierzchołka Gi i
sąsiadującej dolinki Di (według szkicu pomiarowego Rys. 4.) , i
wypełnić tabelkę pomiarów (Tablica 2.).
Rys. 4. Szkic pomiarowy parametru Rz .
Tabela 2. Tabela wyników dla pojedynczego miejsca pomiarowego.
1
2
3
4
5
we
R
Gi
Di
Ri
Rz
'
z
i. Wyliczyć pozorne wysokości kolejnych nierówności w
wybranym miejscu pomiarowym z wzoru
Ri = Gi − Di
j. obliczyć pozorną wysokość chropowatości według 10 punktów
według wzoru
1
R z' = ( R1 + R2 + R3 + R4 + R5 )
5
oraz rzeczywistą wysokość chropowatości wg 10 punktów
10
R z = R z' ∗ we
k. obliczyć średnią wartość parametru R z badanej powierzchni
biorąc pod uwagę średnią arytmetyczną wartości tych
parametrów wyznaczonych dla 3 miejsc pomiaru, obliczyć
niepewność pomiarową e = tα,k * Sr . W tablicy 3 znaleźć
wartość parametru Ra odpowiadającą wyznaczonej Rz oraz
porównać je z wynikami zadania 1, sformułować wnioski
końcowe.
Tablica 3.
Ra µm
–
400
320
250
200
160
125
100
80
63
50
40
32
25
20
16,0
12,5
10,0
8,0
6,3
5,0
4,0
3,2
2,5
2,0
Porównanie wartości parametrów Ra i Rz
Rz µm
2000
1600
1250
1000
800
630
500
400
320
250
200
160
125
100
80
63
50
40
32
25
20
16,0
12,5
10,0
–
Ra µm
–
1,60
1,25
1,00
0,80
0,63
0,50
0,40
0,32
0,25
0,20
0,160
0,125
0,100
0,080
0,063
0,050
0,040
0,032
0,025
0,020
0,016
0,012
0,010
0,008
Rz µm
8,0
–
6,3
5,0
4,0
3,2
2,5
2,0
1,60
1,25
1,00
0,80
0,63
0,50
0,40
0,32
0,25
0,20
0,160
0,125
0,100
0,080
0,063
0,050
0,040
11