Роль и значение
Шероховатость играет важную роль в определении того, как реальный объект будет взаимодействовать с окружающей средой. В трибологии шероховатые поверхности обычно изнашиваются быстрее и имеют более высокие коэффициенты трения, чем гладкие. Шероховатость часто является хорошим предиктором характеристик механического компонента, поскольку неровности на поверхности могут образовывать места зарождения для трещин или коррозии. С другой стороны, шероховатость может способствовать адгезии. Вообще говоря, вместо масштабных дескрипторов, кросс-масштабные дескрипторы, такие как поверхностная фрактальность, обеспечивают более значимые предсказания механических взаимодействий на поверхностях, включая жесткость контакта и статическое трение. Шероховатость поверхности — это довольно сложный параметр, подробности о котором можно узнать ниже.
Канал ДНЕВНИК ПРОГРАММИСТА
Жизнь программиста и интересные обзоры всего. Подпишись, чтобы не пропустить новые видео.
Основные обозначения
Шероховатость исследуемой поверхности измеряются на допустимо небольших площадях, в связи с чем базовые линии выбирают, учитывая параметр снижения влияния волнообразного состояния поверхности на изменение высотных параметров.
Неровности на большинстве поверхностей возникают по причине образующихся деформаций верхнего слоя материала при осуществляемой обработке с использованием различных технологий. Очертания профиля получают при проведении обследования с помощью алмазной иглы, а отпечаток фиксируется на профилограмме. Основные параметры, характеризующие шероховатость поверхности имеют определенное буквенное обозначение, используемое в документации, чертежах и получаемые при проведении измерений деталей(Rz, Ra, Rmax, Sm, Si, Tp).
Для измерения неровности поверхности используют несколько определяющих параметров:
- Ra- обозначает значение исследуемого профиля с возможным отклонением (среднеарифметическим) и измеряется в мкм;
- Rz – обозначает высоту измеряемых неровностей определяемую по 10 основным точкам в мкм;
- Rmax –максимальное допустимое значение параметра по высоте.
Обозначение шероховатости поверхности
Также используются шаговые параметры Sm и Si и опорная длина исследуемого профиля tp. Данные параметры указываются при необходимости учитывать условия эксплуатации деталей. В большинстве случаев для измерений используется универсальный показатель Ra, который дает наиболее полную характеристику с учетом всех точек профиля. Значение средней высоты Rz применяется при возникновении затруднений связанных с определением Ra с использованием приборов. Подобные характеристики оказывают влияние на сопротивление и виброустойчивость, а также электропроводимость материалов.
Значения определений Ra и Rz указаны в специальных таблицах и при необходимости могут использоваться при проведении необходимых расчетов. Обычно определитель Ra обозначается без числового символа, другие показатели имеют необходимый символ. Согласно действующим нормативным актам (ГОСТ) существует шкала, в которой даны значения шероховатостей поверхности различных деталей, имеющих подробную разбивку на 14 специальных классов.
Существует прямая зависимость, определяющая характеристики обрабатываемой поверхности, чем выше показатель класса, тем меньшее значение имеет высота измеряемой поверхности и лучше качество обработки.
ОПИСАНИЕ
Действие профилометров основано на принципе ощупывания неровностей измеряемой поверхности шупом (алмазной иглой) в процессе перемещения индуктивного датчика вдоль измеряемой поверхности и последующего преобразования возникающих при этом механических колебаний щупа в цифровой сигнал.
Профилометр состоит из индуктивного датчика с опорой на измеряемую поверхность. Датчик закрепляется в электромеханическом приводе, с помощью которого он перемещается по горизонтальной измеряемой поверхности. В вертикальном направлении, для обеспечения контакта датчика с измеряемой деталью, привод с датчиком перемещается по колонне, установленной на основании, на котором также базируется измеряемая деталь.
Питание датчика, управление приводом, формирование и обработка сигнала измерительной информации осуществляется с помощью информационно-вычислительного блока, выполненного в виде платы, встраиваемой в компьютер или в выносной блок компьютера. Управление профилометром осуществляется с клавиатуры компьютера. Специальное программное обеспечение позволяет производить расчет параметров шероховатости, задавая требуемые условия измерений, выводить на Э1фан профилограмму измеренного профиля, выделять на них отдельные участки и производить на них расчет значений параметров шероховатости, выделять отдельные элементы профиля и определять их геометрические параметры (линейные размеры, углы наклона), а также производить накопление и сохранение результатов измерений и их статистическую обработку.
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Измеряемые параметры шероховатости: | Ra; Rz; Rmax; Rp; Rv; Rq; |
(по ГОСТ 25142-82) | Sm; S; Xa; Xq; tp; Lo; lo; D; Aa; Aq |
Диапазон измерений: | |
параметров Ra и Rq, мкм | 0,012-50 |
параметров Rp и Rv, мкм | 0,025-125 |
параметров Rz и Rmax, мкм | 0,05-250 |
параметров Sm, S, Ха и Xq, мкм | 10-1600 |
параметра tp,o/„ | 1-100 |
параметра Lo, мкм | 100-100000 |
параметра 1о | 1-10 |
параметра D, 1/см | 4-1000 |
параметров Да и Aq, град. | 0,01-30 |
Значения отсечек шага Х,ь, мм | 0,08;0,25;0,8; 2,5; 8 |
Пределы допускаемой основной погрешности А для профиля, близкого к
Пределы допускаемой основной погрешности А для профиля, близкого к
При измерении параметров | для степени точности 1 | для степени точности 2 |
Ra, | A = 0,02П + 0,04И | А = 0,03П + 0,06И |
Rz, Rmax, Rp, Rv, Rq | А = 0,03П + 0,05И | А = 0,06П + 0,08И |
Sm, S, Xa, Xq | А= 0,02П + 0,10И | А = 0,03П + 0,15И |
tp | А = 0,08П + 0,02И | А = ОДП + 0,03И |
D, Lo, lo, Aa и Aq | А = 0,14И | А = 0,18И |
(где И – действительное значение соответствующего параметра, И – верхний предел поддиапазона измерений соответствующего параметра). Максимальная скорость трассирования датчика, мм/с Максимальная длина оценки, мм. Радиус кривизны верщины иглы, мкм Тип фильтра
Диапазон рабочих температур, °С Габаритные размеры, мм, не более привод датчик стойка
информационно-вычислительный блок ИВБ Масса, кг
2,0 12,5 10 ±2,5 2RC-FC +10…+35
150x60x75 170 X 15,5 X 15,8 420 X 200 X 300 120 X 140×25 18
ЗНАК УТВЕРЖДЕНИЯ ТИПА
Знак утверждения типа наносится на титульный лист паспорта методом принтерной печати и, выполненный в виде аппликации, наклеивается на основание прибора.
КОМПЛЕКТНОСТЬ
ЗНАК УТВЕРЖДЕНИЯ ТИПА
Знак утверждения типа наносится на титульный лист паспорта методом принтерной печати и, выполненный в виде аппликации, наклеивается на основание прибора.
КОМПЛЕКТНОСТЬ
1 | Датчик | 1 |
2 | Привод | 1 |
3 | Информационно-вычислительный блок* | 1 |
4 | Стойка | 1 |
5 | Призма для базирования цилиндрических деталей | 1 |
6 | Настроечная (калибровочная) мера | 1 |
7 | Управляющая программа** | 1 |
8 | Паспорт | 1 |
* Информационно-вычислительный блок поставляется в виде платы, встраиваемой в
компьютер или в выносной блок компьютера. ** Управляющая программа поставляется на дискете 3,5″.
* Информационно-вычислительный блок поставляется в виде платы, встраиваемой в
компьютер или в выносной блок компьютера. ** Управляющая программа поставляется на дискете 3,5″.
Основные правила, используемые для обозначения неровности поверхности на чертежах
Основные правила, которые необходимо использовать при выполнении чертежа:
- На чертеже указываются все шероховатости поверхности для используемого материала без учета используемых методов.
- Нанесение значений шероховатостей осуществляется на разрезах, которые имеют размер.
- Знаки наносятся на всех видах линий используемых в чертеже.
- При наличии у знака полки его местоположение определяется по отношении к основной надписи.
- Если изделие имеет разрыв на чертеже, то производится маркировка только одной части изображения.
- Если поверхностный слой требует использования обработки участков детали различного класса, то производится разделение с помощью сплошной линии.
- В случае сокращения места необходимого для нанесения обозначений на чертеже возможно допустимое упрощение знаков.
- При одинаковом значении шероховатости поверхности контура, значение наносится один раз.
- При идентичности различных поверхностей с одинаковыми значениями шероховатости, допускается нанесение значений один раз.
- Знаки, обозначающие неровности должны иметь толщину в 1.5 раза больше, чем нанесенные на изображение.
- Условия, обозначающие направление поверхностей должны соответствовать стандартам.
- Обозначение шероховатости поверхности производится с использованием общих правил.
Обозначения направления шероховатости поверхности на чертежах
Учитывая структуру материала, конструктор имеет возможность указать необходимые параметры, предъявляемые к качеству поверхностей. Причем характеристики могут указываться по нескольким параметрам с установкой максимально и минимального значения с возможными допусками.
Обозначения отклонения неровности поверхностей
На чертеже шероховатость указывается согласно приведённой ниже схеме.
Как видно, внешнее обозначение напоминает математический квадратный корень с соответствующими надписями в определенных местах. Каждая такая надпись характеризует определенный параметр шероховатости. Разберем их более подробно.
В левом верхнем углу указывается значение шероховатости по Ra и Rz. При чем стоит отметить, что если показано просто число, то автоматически это имеется ввиду Ra. Для обозначения Rz, необходимо дополнительно дописать буквенное примечание.
Существует три разновидности формы этого математического корня:
Треугольник без верхнего основания указывает, что способ получения шероховатости не задан конструктором
Есть требования к качеству поверхности, а каким способом оно будет достигнуто (шабрение, полировка и прочее) неважно. С кругом в вершине
Поверхность не нуждается в дополнительном улучшении. С верхним подчеркиванием
Этот знак говорит, что шероховатость должна достигаться обязательным снятием слоя металла.
В зоне над полкой прописывается тип механической обработки с помощью которой нужно довести поверхность до заданного значения Ra и Rz. Обычно сюда прописываются такие термины как «полировать», «шабрить» и прочее виды механической обработки.
В левом нижнем углу под полкой прописывается направление линий неровностей шероховатости. Разберем этот параметр на примере. Допусти Вам нужно прошлифовать поверхность стола абразивным кругом. В зависимости от того как Вы будете направлять инструмент пойдут линии шероховатости. Если будете его водить кругами, то Вы увидите волны от следов круга. Если движения будут пересекать друг друга, то плоскость стола будет в крестах. Это и регулирует данный параметр
В некоторых случаях это не важно, а некоторых имеет решающее значение
Справа от направлений линий неровностей становиться значение базовой длины, на которой измеряется шероховатость. Ее значение стандартизировано и необходимы для того, чтобы минимизировать воздействие на точность измерения плоскостью прогиба самой поверхности.
Механика
Вам будет интересно:Вандейский мятеж и его значение в истории Франции
Структура поверхности играет ключевую роль в управлении механикой контакта, то есть механическое поведение, проявляющееся на границе раздела между двумя твердыми объектами, когда они приближаются друг к другу и переходят из условий бесконтактности в полный контакт. В частности, нормальная контактная жесткость определяется преимущественно структурами шероховатости (наклон поверхности и фрактальность) и свойствами материала.
С точки зрения инженерных поверхностей, шероховатость считается вредной для характеристик детали. Как следствие, большинство производственных отпечатков устанавливают верхний предел шероховатости, но не нижний. Исключение составляют отверстия цилиндра, в которых масло сохраняется в профиле поверхности и требуется минимальная шероховатость поверхности (Rz).
Особые условия
При массовом производстве определенных деталей иногда нарушается заданная форма или их сопряженность. Подобные нарушения увеличивают допустимый износ деталей, и ограничиваются специальными допусками, которые указаны в ГОСТ 2.308-2011. Каждый вид используемого допуска имеет 16 определяющих степеней точности, которые оговариваются для деталей разной конфигурации с учетом используемого материала. Необходимо также учитывать, что используемые допуски размера и конфигурации для деталей имеющих цилиндрическую форму берутся с учетом диаметра деталей, а плоские детали с учетом толщины, а максимальная погрешность не должна превышать показатель допуска.
По этому признаку выделяют приборы:
– Профилометр с постоянной трассой интегрирования, трасса ощупывания в которых, равна, по длине, трассе интегрирования. Таким образом, результаты измерений можно увидеть только в конце, при завершении процедуры.
– Профилометр обладающий скользящей трассой интегрирования, в котором трасса ощупывания в несколько раз длиннее трассы интегрирования. Таким образом, отсчет показаний и результатов измерения производится одновременно с перемещением иглы по поверхности.
К тому же, существуют профилометры с механотронными преобразователями, которые измеряют параметры неровностей, указывая среднее арифметическое значение отклонения профиля – Ra.
Большинство приборов оснащены анализатором, который позволяет судить о неровностях поверхности по гармоническим колебаниям сигнала от иглы.
Погрешность профилометра обычно колеблется впределах от ±25%, до ±10%.
В качестве примера профилометра можно привести профилометр модели 130. Данный прибор внесен в Госреестр средств измерений. Работает путем подключения к компьютеру и настройкой специальной программой. Профилометр модели 130 является лабораторным стационарным прибором высокой точности.
Также стоит выделить профилометр «СЕЙТРОНИК-ПШ8-1» из линейки профилометров СЕЙТРОНИК. Эти приборы являются переносными, имеют подключение к компьютеру через порт RS232, и позволяют производить основные измерения параметров шероховатости с достаточной точностью.
2) Профилограф – это прибор, который, идентично профилометру, предназначается для контроля параметров шероховатости поверхности, однако, имеет от него отличия в плане вывода результатов измерений. В профилографе результаты измерений представляются в виде кривой – профилограммы, определяющей волнистость и шероховатость. Обработка результатов производится графоаналитическим методом.
Конструктивно, профилограф состоит из нескольких блоков, а именно: измерительного, преобразовательного и записывающего.
Первый блок – называется измерительным, поскольку именно в нем получается сигнал, который является основой всего измерения. На основании этого сигнала и строится, в последствии, кривая, характеризующая микронеровности. Данный блок состоит, как правило, из иглы, привода иглы и измерительного столика.
Второй блок – электронный преобразовательный, в котором сигнал из первого блока усиливается и преобразуется при помощи специальных электронных преобразователей.
Третий блок – записывающий, на который поступает обработанный сигнал со второго блока. Обработанный сигнал, при помощи записывающего устройства, аналогового или электронного, преобразуется в профилограмму в увеличенном масштабе. При этом, в качестве материала для вычерчивания профилограммы может выступать металлизированная бумага, светочувствительная бумага или специальная пленка.
Таким образом, принцип действия профилографа, мало чем отличается от принципа действия профилометра, единственным отличием, здесь, является отображение результатов не на экране в виде числовых значений, а графически.
Профилограмма записывается устройством в увеличенном масштабе, при этом, по горизонтали увеличение достигает 100 000 раз, а по вертикали от 400 до 200 000 раз. Благодаря увеличению, расшифровку делать становится гораздо удобнее.
Погрешность профилографа не выходит за рамки ±5-10 %.
Помимо перечисленных устройств: профилометров и профилографов, существуют комбинированные приборы, называемые профилографы-профилометры.
3) Профилограф-профилометр – приборы данного типа предназначаются для записи измеренных параметров микронеровностей поверхности на бумажный носитель (например, электротермическую бумагу), и одновременного наблюдения, в режиме реального времени, за результатами проводимых измерений при помощи показывающего устройства – цифрового или аналогового.
Самыми распространёнными профилографами-профилометрами являются приборы «Сейтроник-ПШ8» различных модификаций. Так, например, выпускаются модели СЕЙТРОНИК-ПШ8-4, СЕЙТРОНИК-ПШ8-3 и СЕЙТРОНИК-ПШ8-2 , которые отличаются шагом длины трассы ощупывания, наличием/отсутствием встроенного принтера, параметрами увеличения.
Принцип действия профилографа-профилометра идентичен принципам действия приборов, входящих в его название. Также, как и вышеописанные приборы, он работает путем ощупывания контролируемой поверхности заточенной иглой с малым радиусом закругления и преобразовании колебаний от иглы в электрический сигнал, а также последующего мониторинга и записи результатов.
Общие сведения
Зачастую механическую обработку поверхности проводят для получения максимальной чистоты. Однако требуемый уровень шероховатости или текстура заготовки зависит от ее предполагаемого использования. Другими словами, нецелесообразно добиваться избыточной чистоты. И здесь открывается возможность для экономии. Конфокальная микроскопия является идеальным методом проверки качества указанных текстур поверхности, поскольку она позволяет быстро получать трехмерное изображение профиля поверхности, в связи с чем, можно регистрировать не только общие параметры шероховатости, но и ее возможную зависимость от направления. Кроме того, благодаря широкому диапазону разрешения система регистрирует такие параметры, как волнистость и форму.
Таким образом, применение таких конфокальных микроскопов, как SRA обеспечивает широкий спектр возможностей для точного контроля шероховатости поверхности, структуры и форм рабочих поверхностей. А измерения в режиме реального времени позволяют применять эти приборы для оценки шероховатости поверхности в системах контроля качества на производстве.
Еще одно преимущество конфокальной микроскопии заключается в бесконтактном характере данного метода измерений, что позволяет исключить повреждения образцов.
Данные настоящего отчета получены в ходе простого процесса полирования, выполненного для демонстрации того, каким образом полученные с помощью SRA показатели шероховатости можно соотнести с технологическими параметрами (в данном примере – с зернистостью бумаги).
В чем измеряется шероховатость поверхности
Шероховатость поверхности измеряется в микрометрах (1 мкм = 0,001 мм) и оценивается обычно по двум параметрам Rz и Ra.
Rz — это высота неровностей профиля по 10 точкам в то время как Ra — это среднее арифметическое отклонение профиля.
Примерное соответствие этих параметров друг другу с привязкой к классу чистоты шероховатости поверхности смотрите в таблице приведенной ниже:
| Класс чистоты поверхности | Среднеарифметическое отклонения профиля Ra, мкм | Высота неровностей Rz, мкм | Базовая длина l, мм |
| не более | |||
| 1 | 80 | 320 | 8 |
| 2 | 40 | 160 | 8 |
| 3 | 20 | 80 | 8 |
| 4 | 10 | 40 | 2,5 |
| 5 | 5 | 20 | 2,5 |
| 6 | 2,5 | 10 | 0,8 |
| 7 | 1,25 | 6,3 | 0,8 |
| 8 | 0,63 | 3,2 | 0,8 |
| 9 | 0,32 | 1,6 | 0,25 |
| 10 | 0,16 | 0,8 | 0,25 |
| 11 | 0,08 | 0,4 | 0,25 |
| 12 | 0,04 | 0,2 | 0,25 |
| 13 | 0,02 | 0,1 | 0,08 |
| 14 | 0,01 | 0,05 | 0,08 |
Результаты
Для оценки процесса полирования и определения необходимых технологических этапов производится сравнение шероховатости поверхности на основе среднего арифметического высот по длине и по площади (Ra, Sa), а также среднеквадратичного значения высоты (Rq, Sq) поверхности у разных образцов. У взятого в качестве модели производственного процесса расчетное заданное значение Ra составляет 0,09 мкм. На рис. 1 приведены примеры трехмерного представления измеренной топологии образца с наибольшей шероховатостью (образец 1) и второй по величине шероховатостью (образец 2). О различиях можно судить уже даже по разной насыщенности цветов на цифровых моделях.
Рис. 1: Цифровые модели поверхностей образцов 1 и 2
Для определения линейной шероховатости Ra и Rq программное обеспечение ITOM берет на измеряемой поверхности 5 точек и вычисляет шероховатость вдоль указанных профилей. На рисунках 2 и 3 показаны выбранные точки измерений и соответствующие профили шероховатости у образца 1.
Профилометры бесконтактного действия
Измерители, описываемые далее, характеризуются дополнительными возможностями: дистанционным сканированием – оптическим или лазерным — поверхности, а также оперативной передачей данных на компьютер и принтер.
Средство для бесконтактного измерения и записи результата включает в себя:
- Плиту с Т-образными пазами, в которых закрепляется металл изделия.
- Лазерную сканирующую головку.
- Оптический датчик.
- Волновод.
- Устройство управления с интерфейсом для подключения регистрирующих устройств.
Оптический измерительный датчик обладает характеристиками, которые позволяют измерять и выводить на монитор достаточно большой объём информации: продольный и поперечный профили трассы сканирования, точность, дискретность шага измерений, текущую и суммарную погрешность отсчёта и пр. Принцип записи профилограммы на термопечатающую рулонную бумагу превращает данное устройство в полнофункциональный профилограф. Процесс и производство измерений управляются в диалоговом режиме. Таким образом, можно позволять повторное отслеживание шероховатости на некоторых участках измеряемого образца.
Примером бесконтактного профилометра компактного типа является профилометр Mahr MarSurf PS1. Для такого метода передачи управляющего сигнала в схеме предусмотрен оптический датчик. Возможные колебания расстояния между приёмником и измеряемой поверхностью автоматически компенсируются системой отсечки шага. Устройство использует как сетевое питание, так и от встроенного аккумуляторного привода. Паспорт профилометра Mahr снабжён подробным описанием методики применения данного прибора. Бесконтактный профилометр Mahr имеет диапазон измерения шероховатости в пределах 5…15 мкм.
Профилометр Mahr Marsurf PS1
Параметры шероховатости
Для того чтобы проводить измерения шероховатости поверхности следует учитывать то, какой параметр при этом учитывается. Проводимый контроль предусматривает проверку совокупности неровностей, которые образуют рельеф на определенном участке. Рассматривая поверхность определяется шероховатость, которая обозначается Rz или Ra. Шероховатость Rz – показатель 5-ти наиболее возвышенных точек, с которых берутся усредненные значения. Контроль проводят в пределе линии АВ. Шероховатость Ra представляет собой средний показатель арифметических абсолютных значение, которые касаются отклонения профиля поверхности от средней линии в пределах измеряемой базы. 
Шероховатость при токарной обработке
Этот показатель отображается в виде совокупности малых шагов базовой длины обрабатываемой плоскости и ее неровностей. Современное токарное оборудование обеспечивает максимально возможное качество производства деталей. Шагрень при токарной обработке является величиной, которая просчитывается еще на стадии проектирования будущего изделия.
Во многих станках по умалчиванию устанавливаются требуемые допуски шагрени на плоскости, что сильно облегчает задачу персонала и увеличивает объемы производства. Основным фактором здесь является точные показатели шагрени для конкретного материала, из которого состоит будущая деталь.
Механика
Вам будет интересно:Вандейский мятеж и его значение в истории Франции
Структура поверхности играет ключевую роль в управлении механикой контакта, то есть механическое поведение, проявляющееся на границе раздела между двумя твердыми объектами, когда они приближаются друг к другу и переходят из условий бесконтактности в полный контакт. В частности, нормальная контактная жесткость определяется преимущественно структурами шероховатости (наклон поверхности и фрактальность) и свойствами материала.
С точки зрения инженерных поверхностей, шероховатость считается вредной для характеристик детали. Как следствие, большинство производственных отпечатков устанавливают верхний предел шероховатости, но не нижний. Исключение составляют отверстия цилиндра, в которых масло сохраняется в профиле поверхности и требуется минимальная шероховатость поверхности (Rz).
