10
POMIARY CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI
Zakres i cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest pogłębienie wiadomości nt. parametrów opisujących cechy profilu chropowatości oraz praktyczne zapoznanie się z: oceną chropowatości przy pomocy porównawczych wzorców chropowatości, pomiarem metodą przekroju świetlnego i pomiarem metodą stykową nowoczesnym profilografem opartym na układach mikroprocesorowych.
· Komplet wzorców chropowatości,
· Mikroskop podwójny Schmaltza,
· Profilometr Surftest 402 firmy Mitutoyo współpracujący z zespołem wskazująco-rejestrująco-analizującym Surftest Analyzer f. Mitutoyo.
Szkic przyrządu (stanowiska)
Rys. 1. Mikroskop Schmaltza: 1 – podstawa z kolumną, 2 – dźwignia blokady zgrubnego przesuwu pionowego ramienia mocowania układu optycznego mikroskopu, 3 – pokrętło przesuwu zgrubnego ramienia, 4 – pierścień precyzyjnego przesuwu pionowego, 5 – pokrętło przemieszczające wiązkę promieni świetlnych równlolegle do osi pryzmy, 6 – głowice mikrometryczne przesuwu X-Y stolika pomiarowego, 7 – dźwignia wymiany zespołu obiektywów, 8 – obiektywy: oświetlający i obserwacyjny we wspólnej oprawie, 9 – pokrętło przesuwu kresy przerywanej widocznej w polu widzenia okularu, 10 – okular głowicy odczytowej, 11 – dźwignia wyboru rodzaju oświetlenia obserwowanej powierzchni, 12 – pryzma.
Rys. 2. Profilografometr: 1 – profilometr, 2 – głowica pomiarowa (I – igła pomiarowa, S – ślizgacz), 3 – analizator, 4 – mierzony przedmiot, 5 – podstawa z kolumną (A – zacisk blikujący przesuw zgrubny suportu pionowego, B – pokrętło przesuwu zgrubnego, C – pokrętło mikroprzesuwu)
· Ra – średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości,
· Rz – wysokość chropowatości wg 10 punktów,
· Rm – maksymalna wysokość chropowatości (Rmax wg oznaczeń stosowanych w PN do 1987 r.).
· Sm – średni odstęp chropowatości,
· S – średni odstęp miejscowych wzniesień profilu.
· tp – współczynnik długości nośnej profilu chropowatości,
· krzywa nośności profilu chropowatości,
· Da – średnie arytmetyczne pochylenie profilu chropowatości.
1. Profil powierzchni – linia przecięcia powierzchni płaszczyzną.
2. Linia odniesienia – 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.
3. Odcinek elementarny – długość linii odniesienia przyjmowana do wyznaczania nierówności charakteryzujących chropowatość powierzchni. Znormalizowane odcinki elementarne wprowadzono w celu eliminacji wpływu błędów kształtu i falistości na położenie linii średniej i wyznaczane wartości parametrów chropowatości. PN podaje wartości odcinków elementarnych od 0,08 mm dla pomiaru R < 0,025 mm (Rz < 0,01 mm) do 25 mm dla pomiaru Ra > 100 mm (Rz > 400 mm).
4. Odcinek pomiarowy lp – długość odcinka, na którym ocenia się wartości parametrów chropowatości. Odcinek pomiarowy może zawierać jeden lub więcej odcinków elementarnych l (najczęściej 5). Długość odcinka pomiarowego zależy od zakładanej dokładności oceny i rodzaju wyznaczanego parametru.
5. Linia średnia profilu chropowatości m – linia odniesienia dzieląca profil chropowatości tak, że w przedziale odcinka elementarnego l suma kwadratów odchyleń profilu od tej linii jest minimalna (rys. 3).
Rys. 3.
Linia średnia jest wyznaczana niezależnie dla każdego odcinka elementarnego. Zwykle linia średnia dzieli profil tak, iż sumy pól zawartych między tą linią a profilem po obu jej stronach są sobie równe.
6. Średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości Rg – średnia arytmetyczna wartość bezwzględnych odchyleń profilu y od linii średniej m w przedziale odcinka elementarnego l (rys. 4)
gdzie: y(x) – równanie profilu chropowatości.
Rys. 4
Interpretacją geometryczną tego parametru jest prostokąt o wysokości równej Ra. PN podaje tablicę wartości liczbowych Ra w zakresie od 400 do 0,008 mm. Wartości liczbowe Ra są ściśle związane ze zużyciem ściernym. Średnie arytmetyczne odchylenie profilu Ra jest parametrem uprzywilejowanym najczęściej stosowanym na świecie.
7. Wysokość chropowatości wg 10 punktów Rz – średnia arytmetyczna wartości chropowatości i głębokości pięciu najwyższych wzniesień profilu chropowatości i głębokości pięciu najniższych wgłębień profilu w przedziale odcinka elementarnego (rys. 5)
gdzie: ypi – wysokość i-tego wzniesienia profilu,
yvi – wysokość i-tego wgłębienia profilu.
Rys. 5.
PN podaje tablicę wartości liczbowych Rz od 1600 do 0,025 mm.
8. Maksymalna wysokość chropowatości Rm – odległość między linią wzniesień profilu chropowatości, a linią wgłębień profilu w przedziale odcinka elementarnego (rys. 6). Wartość parametru Rm cechuje się dużym rozrzutem, gdyż zależy od położenia ekstremalnych punktów profilu o losowym charakterze i jest uzależniona od długości odcinka elementarnego oraz sposobu filtracji składowych profilu o dużej podziałce.
Rys. 6.
PN podaje tablicę wartości liczbowych Rm od 1600 do 0,025 mm
9. Średni odstęp chropowatości Sm – średnia wartość z odstępów chropowatości występujących w przedziale odcinka elementarnego.
gdzie: Smi – odstęp chropowatości tj. długość odcinka linii średniej zawierającego wzniesienie i sąsiadujące z nim wgłębienie profilu (rys. 7).
Rys. 7.
PN podaje tablicę wartości liczbowych Sm od 12,5 do 0,002 mm
10. Średni odstęp miejscowych wzniesień profilu S – średnia wartość z odstępów miejscowych wzniesień profilu chropowatości występujących w przedziale odcinka elementarnego.
gdzie: Si – odstęp miejscowych wzniesień profilu tj. długości odcinka linii średniej między rzutami najwyższych punktów sąsiednich wzniesień profilu chropowatości (rys. 8).
Rys. 8.
PN podaje tablicę wartości liczbowych S od 12,5 do 0,002 mm.
11. Współczynnik długości nośnej profilu chropowatości tp – stosunek długości nośnej profilu chropowatości do odcinka elementarnego
gdzie: hp – długość nośna profilu
tj. suma długości odcinków bi otrzymanych przez przecięcie profilu chropowatości linią równoodległą od linii średniej w przedziale odcinka elementarnego na określonym poziomie profilu chropowatości (rys. 9)
Rys. 9.
12. Krzywa nośności profilu chropowatości – przebieg wartości współczynnika długości nośnej profilu tp w zależności od poziomów przekroju profilu chropowatości (rys. 10) Poziom przekroju profilu chropowatości jest to odległość między linią wzniesień profilu a linią przecinającą ten profil równoodległą od linii wzniesień. Poziom przekroju profilu chropowatości można określać w % z maksymalnej wysokości profilu chropowatości.
Rys. 10.
13. Średnie arytmetyczne pochylenie profilu chropowatości Da – średnia arytmetyczna wartość bezwzględnej zmiany współrzędnych profilu chropowatości w przedziale odcinka elementarnego.
gdzie: y’(x) – pierwsza pochodna równania profilu chropowatości y(x).
Średnie arytmetyczne pochylenie mierzone jest dla całego profilu. Na wierzchołkach wzniesień oraz na dnach wgłębień pochylenie wynosi zero, z tego względu wartość średnia pochylenia jest mniejsza od wartości pochyleń zboczy, z którą nie należy utożsamiać tego parametru. Dla większości powierzchni technicznych kąty pochylenia nierówności są mniejsza od 15°.
14. Zgodnie z PN parametry Ra, Rz, Rm, Sm, S, tp są parametrami podstawowymi, zaś parametr Ra stosuje się jako uprzywilejowany.
Wybrane informacje o metodach pomiaru i sprawdzania parametrów chropowatości oraz narzędziach pomiarowych wykorzystywanych w ćwiczeniu
Kontrola chropowatości powierzchni ma za zadanie zapewnienie spełnienia przez obrabiany element przewidzianych przez konstruktora funkcji, np. szczelności połączenia, odporności na zużycie ścierne, zmęczeniowe, przywieralności, refleksyjności, przewodnictwa styku itp.
1. Polska Norma określa wymagania dotyczące wzorców chropowatości przeznaczonych do porównawczej oceny chropowatości metodą wzrokową lub dotykową. Pracownik o odpowiednich predyspozycjach dysponujący odpowiednimi wzorcami chropowatości może rozróżnić powierzchnie, których wysokość chropowatości różni się o ok. 25%.
2. Metoda przekroju świetlnego polega na oświetleniu mierzonej powierzchni pod kątem 45° przez wąską szczelinę. W mikroskopie obserwacyjnym widoczny jest zdeformowany przez nierówności powierzchni obraz szczeliny układu optycznego mikroskopu oświetlającego. Deformacje te mają obraz zbliżony do profili chropowatości. Na ich podstawie można określić maksymalną wysokość chropowatości Rm lub wysokości chropowatości wg 10 punktów Rz. Zakres pomiarowy metody przekroju świetlnego wynosi zwykle 0,8 £ Rm (Rz) £ 63 mm, a błąd pomiaru jest odpowiednio rzędu 20 – 7 % (większy przy pomiarach mniejszych chropowatości, dla których należy stosować obiektywy o większym powiększeniu). Wysokości nierówności mierzone są za pomocą okularu mikrometrycznego, w którym widoczny jest obraz szczeliny świetlnej oraz skala i linia przerywana (rys. 11). Pomiar chropowatości polega na ustawieniu linii przerywanej stycznie do wybranych wierzchołków profilu chropowatości na długości odcinka elementarnego, odczytaniu wskazań i wykonania analogicznych pomiarów dla wgłębień profilu. Warto zauważyć, iż w polu widzenia okularu widoczne są dwa profile (praktycznie identyczne) oddalone od siebie o grubość projektowanej wiązki świetlnej. Wynika to z faktu, iż zgodnie z definicją profilu powierzchni (profil powierzchni – linia przecięcia powierzchni płaszczyzną) dwa profile realizowane są przez obrazy dwóch liniowych krawędzi szczeliny mikroskopu oświetlającego. Należy zwrócić uwagę aby wszystkie pomiary przeprowadzać na jednym profilu (rys. 11).
Rys. 11. Pomiar Rz metodą przekroju świetlnego
3. Metoda stykowa polega na wykorzystaniu igły o znanej geometrii przesuwającej się po badanej powierzchni ze stałą prędkością. Przemieszczenia pionowe igły są przekształcane na sygnał elektryczny. Wzmocniony sygnał może być przetwarzany na wartości liczbowe żądanych parametrów chropowatości lub rejestrowany w postaci profilogramu o znanym powiększeniu pionowym i poziomym. Stykowa metoda pomiaru chropowatości jest aktualnie zdecydowanie dominująca i stała się, jako najbardziej uniwersalna, podstawą norm dotyczących chropowatości.
Na rys. 12 przedstawiono sch...
mat406