Измерение шероховатости поверхности

1. Объекты угловых измерений весьма разнообразны по размерам и величинам и требуют высокой точности измерения.

Первая группаметодов и средств измерений называется «жесткая мера» – к ним относятся угольники, угловые плитки и многогранные призмы.

Вторая группа:гониометрические (гониометр - прибор для измерения углов между плоскими гранями твердых тел) методы и средства измерений, у которых измеряемый угол сравнивают со значением встроенной в прибор круговой или секторной шкалы.

Третья группа- тригонометрические методы и средства измерений и отличаются тем, что измеряемый угол сравнивают с углом прямоугольника.

Рассмотрим призматические угловые меры. Они изготавливаются нескольких типов: плитки с одним рабочим углом, четырьмя рабочими углами и шестигранные призмы с неравномерным угловым шагом.

Рисунок 1.

Угловые плитки выпускаются набором, чтобы можно было собрать блоки от 10 до 90°. Погрешность угловых мер 1-го класса точности ±10¢¢, 2-го класса ±30¢¢. Они также обладают свойством притираемости.

В гониометрическом методе измерения измеряемое изделие авс жестко связано с угловой мерой - шкалой d. В некотором положении 1 отсчет берут по неподвижному указателю d. Затем шкалу поворачивают до такого положения, когда bc совпадают с плоскостью, в которой до поворота была сторона ab и др. После этого производят отсчет по указателю.

Рисунок 2.

Для точности применяют угломерные нониусы (вспомогательная шкала, при помощи которой отсчитывают доли делений основной шкалы измерительного прибора; благодаря нониусу точность измерений повышает­ся в 10-20 раз) и оптические угломеры.

2. Шероховатостью поверхности называется совокупность неровнос­тей с относительно малыми шагами на базовой длине l (рис).

Рисунок 3.

Базовая длина l – длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности и для количест­венного определения ее параметров. Для количественной характеристики шероховатости поверхности выбирают минимальную длину участка, необходимую для надежного определения шероховатости, включающую в себя одну или несколько базовых длин. Для количественной описания шероховатости установлены следующие параметры:

1) среднее арифметическое отклонение профиля:

2) высота неровностей профиля по десяти точкам R_z:

где H_imax, H_imin– это отклонения максимального и минимального профиля в пяти точках;

R_z – наибольшая высота неровностей профиля = расстоянию между линией выступов профиля и минимальных впадин в пределах базовой длины.

В зависимости от способа обработки R_a=0,4...3,2 мкм, а при шлифовании R_a= 0,025 ... 0,4 мкм.

Измерение шероховатостей.Шероховатость поверхности оценивается визуально с помощью сравнения с образцами шероховатостей и измеряется контактными и бесконтактными (оптическими) методами и приборами.

 

Рисунок 4.

Образцы шероховатостей представляют собой бруски с заранее известным значением шероховатости. Они комплектуются в наборы. Приме­няются для относительно грубых поверхностей с шероховатостей (0,6 ...0,8 мкм). Существуют следующие виды образцовых шероховатостей.

1. Контактный метод основывается на последовательном ощупывании исследуемого профиля с помощью алмазной иглы (щупа). Перемещение иглы повторяет профиль шероховатости, который преобразуется в электри­ческий сигнал – он усиливается и измеряется аналоговым прибором или цифровым. Для усиления сигнала используют индуктивные преоб­разователи. Приборы, которые измеряют контактными методами называются профи­лометрами, они позволяют измерить R_a = 0,02... 10 мкм с погрешностью не более 10... 15.

2. Оптические методы (бесконтактные) служат для получения инфор­мации о количественных характеристиках шероховатостей и исполь­зуются известковые оптические явления. К ним относятся приборы светового и теневого сечения, интерферометры и муаровые микроскопы. Они позволяют определять значения R_u, R_max, S и S_m.

Рассмотрим принцип действия оптического прибора. В интер­ферро­метрах для получения информации о шероховатости используется явление интерференции света.

Рисунок 5.

Свет от источника L проходит через конденсатор К и диафрагму D и разделяется с помощью полупрозрачной пластины М на 2 когерентных пучка. Один из них через микрообъектив O₁ падает на исследуемую поверхность S₁и отразившись от нее снова попадает в O₁ и фокусируется в пластине В. 2-ой пучок проходит через М и O₂ падает на зеркало сравнения S₂, также на плоскость В. В результате сложения двух когерентных пучков в плоскости В возникают интерференционные полосы, которые искривляются соответственно профилю S₁.

Изгиб а можно измерять на глаз или с помощью окулярного микро­метра. Он может быть сфотографирован. Сравнение а с в: на рисунке видно, что а»(2/3) в. Если свет белый, то длина волны l=0,6 мкм, то а=(2/3)0,3=0,2 мкм. Из пяти значения а определяется значение R_z.

Рисунок 6.

Рассмотрим принцип действия светового прибора. Он основан на получении изображения поверхности с помощью наклонных лучей. Изме­рения производятся от 0,8...80 мкм. Он имеет два микроскопа: проекти­руемый и наблюдательный. Свет проектируется на ступенчатой поверхности P₁–P₂. Площадь щели равна S₁ и S₂. Отразившись лучи попа­дают во 2-ой микроскоп. Смещение «в» – изображения S₂¢¢ относительно S₁¢¢ определяется высотой h и отсчитывается окулярными микрометрами. Из рис. Имеет

h=b/2Г_мh 45°, где Г_м – кратность светового прибора.

Рисунок 7.

Применяется также растровый (растр – решетка для структурного пре­образования направленного светового пучка; в прозрачных растрах чере­дуются прозрачные и непрозрачные элементы; отражательные растры состоят из зеркально отражающих и поглощающих или рассеивающих элементов) метод в муаровых микроскопах. Растрами называют совокуп­ность расположения прямоугольных непрозрачных штрихов, разделенных прозрачными промежутками. Шаг растра 1=а+b, где а – ширина непроз­рачного штриха, а b – прозрачный промежуток.

Рисунок 8.

1 – исходный растр, 2,4 – оптические системы; 3 – исследуемая поверхность; 5 – растр сравнения.

 

Напомним, что энтропия погрешности связана с энтропийным значением погрешности экспоненциально:

.

Из двух последних выражений следует требование

Н(х)>ln2D_э

или

.

Разделив обе части неравенства на интервал v_u поля рассеивания измеряемой величины, получим аналогичное условие для приведен­ной относительной погрешности измерения

.

Используя выражение энтропии и доверительного интерва­ла поля рассеивания в случае нормального закона распределения, имеем

.

Следует отметить, что такое требование соответствует много­летней метрологической практике [10; 20; 7] по выбору критерия малости погрешностей измерения.

Согласно этому критерию, если погрешность D_с, вызванная сум­марным действием ряда случайных частных погрешностей D_i, при том, что

, и погрешность (т.е. без частной погреш­ности D_k)могут считаться приближенно равными D_с»D¢_с, то погрешность D_k считают малой, и ею можно пренебречь при рассмотрении результатов измерений.

Предполагается, что значения всех случайных погрешностей рас­пределены по нормальному закону.

Для погрешностей D_с»D¢_с, выражающихся не более чем двумя значащими цифрами, справедливо неравенство D_с–D¢_с<(0,05÷0,1)D_с при условии D_k<(0,33÷0,4)D_с.

Поэтому для определения достаточной малости погрешностей измерения D_изм их надо сравнивать со значениями допуска изделия IT, т.е. рассматривать относительную величину , где А_изм— коэффициент точности измерения.

В ГОСТ 8.051—73 нормируется коэффициент точности , при этом А_мет»0,5А_изм.

Для измерения действительных размеров должно выполняться условие

.

В серийном производстве результаты измерения изделий часто используют для их разбраковки, т. е. разделения на годные и брак. Так, если в партии деталей, которая должна быть проверена, раз­меры деталей находятся в пределах поля допуска, то естественно, что при измерении даже со значительными погрешностями не будет неправильно принятых деталей, поскольку брака в действитель­ности нет, но будут неправильно забракованные детали из-за погре­шности измерения. Если контролируют партию деталей, все раз­меры которых выходят за пределы поля допуска, т. е. все негодные, то в проверенной партии не будет неправильно забракованных деталей независимо от погрешности измерения, а будут только детали неправильно принятые. Во всех остальных промежуточных случаях будут неправильно принятые бракованные детали и непра­вильно забракованные годные. При этом количество таких неправи­льно забракованных деталей зависит не только от погрешности измерения, но и от законов распределения отклонений размеров контролируемых деталей и отношения допуска изделия IT к средне­му квадратическому отклонению s_тех, технологического распределе­ния. Случай рассмотрен в главе 1.

Выбор средств измерения и контроля.По ГОСТ 14.306—73 выбор средств контроля основывается на обеспечении заданных показа­телей процесса технического контроля (ТК) и анализе затрат на реализацию процесса контроля. К обязательным показателям про­цесса контроля относят точность измерения, достоверность, трудо­емкость, стоимость контроля. В качестве дополнительных показа­телей контроля используют объем, полноту, периодичность, про­должительность.

При выборе средств измерения точность средств измерений должна быть достаточно высокой по сравнению с заданной точностью выполнения измеряемого размера, а трудоемкость измерения и их стоимость должны быть возможно более низкими, обеспечивающими наиболее высокие производительность труда и экономичность.

Недостаточная точность измерений приводит к тому, что часть годной продукции бракуют, в то же время по той же причине другую часть фактически негодной продукции принимают как год­ную.

Излишняя точность измерений, как правило, бывает связана с повышением трудоемкости и стоимости контроля качества про­дукции и, следовательно, ведет к удорожанию производства и огра­ничению выпуска продукции.

Средства линейных измерений СЛИ и контроля СЛК подраз­деляют на контактные (К) и бесконтактные (Б), автоматические (А) и неавтоматические (Н).

В измерительный прибор для линейных измерений входят изме­рительная и установочная база, а также измерительный преобразо­ватель с отсчетным устройством. Съемный измерительный преоб­разователь с встроенным отсчетным устройством обычно называют измерительной головкой. При этом средства автоматических изме­рений могут иметь адаптирующийся цифровой отсчет (АЦО), само­пишущий (СПВ) или цифропечатающий выход (ЦПВ). Средства автоматического контроля делят на измерительные контрольные (ИКА), измерительные контрольно-сортировочные (ИКСА) автома­ты (полуавтоматы) и средства активного (управляющего) размер­ного контроля (САРК) (рис.).

Неавтоматические средства измерения различаются типом отсчетного устройства (штриховое, цифровое, стрелочное и световое).

Рис. Классификационная схема средств ли­нейных измерений

 

Тип отсчетного устрой­ства зависит от конст­рукции измерительного средства. Стрелочный отсчет (СО) применяет­ся в механических си­стемах (индикаторы, пружинные измерите­льные головки) и в ря­де измерительных пре­образователей. Свето­вой отсчетный индекс (СИ), позволяющий ис­ключить погрешности параллакса, используют в оптико-механических приборах (оптиметры, оптикаторы, интерферометры контактные и т.п.). Оптические приборы выпускают с оку­лярным и экранным визированием и отсчетом. Последние меньше утомляют глаза оператора и способствуют повышению точности и производительности измерений. Отсчетные шкалы приборов и из­мерительных головок могут быть линейными, угловыми и круговы­ми. На каждой шкале имеются штрихи и числовые отметки. В ряде случаев используют измерительные и контрольные устройства с ди­станцион­ным отсчетом, когда входной (чувствительный) элемент измерительной системы и отсчетное устройство связаны мобиль­ным соединяющим звеном и когда они находятся на значительном расстоянии друг от друга. При этом измерительный (контрольный) прибор (КЦ) обязательно имеет измери­тельный преобразователь (ИП). Контрольные средства используют и без преобразователя, например, жесткие калибры (ЖК) и автоматы с клиновой щелью для сортировки тел качения.

Средства измерения и контроля могут быть одномерными (из­меряют и контролируют одну величину) и многомерными (измеря­ют и контролируют несколько размеров изделия). При этом кон­тактные средства менее чувствительны к помехам на входе измери­тельной системы, чем бес­контактные.

Все средства измерений в соответствии с их назначением можно разделить на универсальные и специализированные. При этом конк­ретные универсальные средства имеют предпочтительные области применения: для наружных и внутренних измерений, для измерения отклонений формы поверхностей. Специализированные приборы имеют весьма узкое назначение.

Основные средства автоматического измерения и контроля за­ключаются в значительно большей производительности и объектив­ности результата измерения; эти средства обычно являются более специали­зированными. Однако и в них предусматривается в ряде случаев возмож­ность переналадки на различные размеры и даже на различные параметры измерения (контроль диаметров, длины, от­клонений формы и расположения и т.п.).

Исходными при выборе средств измерения определенного назна­чения являются следующие положения: необходимая производите­льность (на этой основе выбирают автоматические или неавтомати­ческие, универсальные или специализированные средства измере­ний); допускаемая погрешность измерения; предел измерения в за­висимости от контролируемого допуска; механические характери­стики измеряемой детали (габаритные размеры, масса, твердость материала, жесткость конструкции, кривизна и шерохо­ватость по­верхности, доступность контролируемой поверхности), возможные условия эксплуатации.

Автоматы, разделяющие детали на годные и на один или два вида брака, следует выбирать в ограниченных случаях: при недоста­точной точности технологического процесса; при неустойчивом технологическом процессе, практически не поддающемся регулированию; при изготовлении ответственных изделий; при приемке сбор­ных изделий, у которых неудачное сочетание отклонений разме­ров деталей может привести к выходу одного из эксплуатацион­ных показателей за пределы допускаемых значений, а по­вышение точности изготовления оказывается экономически нецелесо­образ­ным.

Автоматы для разделения годных деталей на размерные группы целесообразно использовать для решения задач селективной сборки.

Приборы активного контроля позволяют повысить производи­тельность труда, качество изделий и облегчить работу станочников. Применение приборов активного контроля целесообразно при об­работке партии деталей в количестве более 10 шт.

В большинстве случаев предпочтение отдается механизирован­ным измерительным приспособлениям с целью выборочной провер­ки точности процесса обработки. В последние годы стали использо­вать многомерные измерительные приспособления, компануемые из унифицированных элемен­тов.

При линейных измерениях по известному классу точности изде­лия выбирают значение коэффициента А_изм точности измерения (ГОСТ 8.051—81).

 

 

Квалитет ИСО	Аизм, % (ориентировочно)
2-5
6-7
8-9
10 и грубее

Характерно, что с увеличением допуска на контролируемый размер рекомендуемые значения A_измуменьшаются по сравнению с измерениями особо точных деталей, где А_измпринимают прак­тически максимально допустимыми. Это связано прежде всего с на­личием измерительных средств нужной точности, значительными трудностями обеспечения нормальных условий особо точных изме­рений и введения поправок на систематические составляющие ма­лых погрешностей. Выбрав соответствующее значение А_изм, можно затем определить предел допускаемой погрешности измерения

|D_{д изм}|=А_измIT×10^-2.

Основная погрешность измерительного средства должна быть меньше значения |D_{д изм}| рассчитанного по формуле.

Использовать измерительные средства, обеспечивающие значе­ние А_изм меньше предельно допускаемого, можно, но при этом следует учитывать экономические факторы.

Выбор средств контроля основывают на использовании алгорит­ма. В алгоритме предусмотрено, что допускаемая погрешность учитывает состав­ляющие ее погрешности (ГОСТ 8.051—81): изме­рительных средств, температурных деформаций, от измерительного усилия, от субъективности оператора, вносимые установочными мерами. Алгоритм составлен так, что при последовательной раз­работке процессов контроля выбирают для каждого конкретного контролируемого параметра необходимые средства контроля (СК) или обосновывают необходимость проектирования новых.

Алгоритм составлен таким образом, что от процедуры к проце­дуре номенклатура выбираемых средств ограничивается. Выбор СК завершают нахождением одного конкретного СК для каждого конт­ролируемого пара­метра в тех случаях, когда оптимизацию процесса ТК не проводят, или нескольких СК для каждого контролируемого параметра при проведении оптимизации процесса ТК. Окончатель­ное решение об одном СК для каждого контролируемого параметра принимают после комплексного технико-экономического обоснова­ния процесса ТК.

 

[gl] 4 ОСНОВЫ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ[:]