Методы изучения геометрических характеристик шероховатых поверхностей

 

Для изучения геометрических характеристик шероховатых поверхностей применяют несколько методов. Наиболее распространенный щуповый метод с помощью профилометра (профилографа). Сущность метода - по поверхности трения перемещается алмазная игла с малым радиусом закругления. Колебания иглы в вертикальном направлении повторяют неровности профиля поверхности. Эти колебания преобразуются в электрические сигналы, которые усиливаются и записываются в виде профилограммы, а специальное интегрирующее устройство выдает значения Ra и другие характеристики профиля. Недостаток метода - искажения, возникающие в результате вдавливания иглы в исследуемую поверхность, поскольку в зоне контакта имеют место значительные давления; игла имеет радиус закругления конечных размеров в пределах 2 - 10 мкм, поэтому при скольжении по выступу профиль искажается (записывается радиус выступа, увеличенный на радиус иглы). Преимущества метода - возможность его применения к поверхностям, шероховатость и волнистость которых изменяется в широких пределах, а также быстроте измерений и полноте получаемой информации. Схема работы профилографа показана на рисунке 1.5.

 

Рисунок 1.8 - Схема работы профилографа: 1 - профилограф; 2 - шаровая опора; 3 - преобразующий датчик; 4 - усиливающий блок; 5 - показывающий прибор; 6 - самописец; А-В - гладкая ровная поверхность

 

Игла 1 в профилографе перемещается по поверхности и смещается по вертикали относительно шаровой опоры 2, имеющей большой радиус кривизны и поэтому скользящей по вершинам микровыступов, опускаясь и поднимаясь в соответствии с имеющейся волнистостью. Датчик 3 преобразует в электрические сигналы перемещение иглы 1, которые поступают в блок 4, где усиливаются и анализируются, и оттуда - на показывающий прибор 5 и самописец 6. Благодаря тому, что шаровая опора имеет большой радиус и скользит по вершинам выступов, она повторяет форму волн, и прибор реагирует только на шероховатость поверхности.

Для одновременной оценки шероховатости и волнистости поверхности прибор работает в другом режиме: опора 2 прижимается и скользит по гладкой ровной поверхности АВ, а игла реагирует и на шероховатость поверхности, и на ее волнистость.

В современных профилометрах получаемые в процессе измерения данные анализируются с помощью ЭВМ, и сразу выдаются значения характеристик шероховатости и волнистости. Например, прибор для измерения шероховатости - профилограф MarSurf PS 1, внешний вид которого показан на рисунке 1.9.

Прибор имеет автономное питание. Проводит замеры в широком диапазоне положений в зависимости от конфигурации детали (вертикальном, горизонтальном, перевернутом). Благодаря встроенному эталону шероховатости вероятность ошибки значительно уменьшена. Во внутреннем блоке памяти может храниться до 15 профилей или 20000 результатов. Диапазон измерений прибора составляет максимум 350 мкм (от -200 до +150 мкм). Если включен автоматический режим прибора, то он распознает периодические и апериодические профили и автоматически устанавливает соответствующую норме величину отсечки шага и соответствующие участки ощупывания. Быстрые и надежные измерения на месте гарантируют требуемое качество поверхности в процессе производства.

 

Рисунок 1.9 - Прибор измерения шероховатости MarSurf PS 1: 1 - корпус, 2 - индикатор, 3 - клавиатура, 4 - устройство подачи, 5 - щуп, 6 - Start-клавиши, 7 - устройство защиты щупа	Рисунок 1.10 - MarSurf PS 1 с устройством установки высоты: 1 - опора для крепления принадлежностей устройства установки высоты; 2 - дуги для установки высоты; 3 - контролируемая деталь

 

Корпус прибора 1 (рис. 1.10) сверху снабжен трехточковой опорой для измерений в потолочном положении, внизу находится призма для цилиндрических объектов измерений. Результаты измерений отображаются на жидкокристаллическом индикаторе 2. На клавиатуре 3 клавиши «Ra» и «Rz» служат для выбора параметров Ra и Rz, с соответствующей индикацией, «F1» — клавиша для включения свободного программируемого параметра, «Lt/Lc» — клавиша для установки величины отсечки шага и участка ощупывания. Клавиши со стрелками «▲», «►», «▼», «◄» предназначены для выбора и установки желаемых функций. Результаты установки отображаются на индикаторе 2. Устройство подачи 4 необходимо для выбора правильной позиции измерения передвижением в продольном направлении или поворотом. Максимальная длина участка ощупывания составляем 17,5 мм. Щуп 5 настроен на предприятии-изготовителе. Для проведения особо точных измерений методом ощупывания, а также для последующей проверки профилограф обладает функцией автоматического динамического калибрования. 

Зеленые Start-клавиши 6 включают прибор, подтверждают щуп, запускают и прерывают текущее измерение. Комбинации клавиш: «Start» + «Lt/Lc» — открывает каталог установок; «Start» + «Ra» — показывает выбранные параметры один за другим; «Start» + «Rz» — выключает прибор при сохранении установок, с которыми было осуществлено последнее безошибочное измерение.

Устройство защиты щупа 7 в соединении с дугой для установки высоты или измерительной стойкой можно использовать как вторую опорную точку.

На рисунке 1.11 MarSurf PS 1 стоит на призматической нижней стороне или на дугах устройства установки высоты 2. Измерения проводятся на ровной поверхности или в отверстии детали 3, головка щупа указывает вниз.

 

Рисунок 1.11 - Стационарное место измерения с измерительной стойкой: 1 - контролируемая деталь; 2 - установочный винт для коррекции наклона; 3 - маховичок для установки высоты	Рисунок 1.12 - Измерение цилиндрических объектов: 1 призма прибора; 2 щуп; 3 - цилиндрический объект

При стационарном режиме работы можно укреплять MarSurf PS 1 на измерительной стойке (рис. 1.11). На рисунке 1.12 показан пример измерения цилиндра (вес цилиндрического объекта может быть до 1 кг). Прибор лежит на своей верхней стороне (трехточковая опора), призма служит опорой цилиндру, головка щупа указывает вверх.

Схема индикатора MarSurf PS 1 с показаниями приведена на рисунке 1.13 (в режиме измерения не могут появляться одновременно все элементы индикации).

Рисунок 1.13 - Индикатор MarSurf PS 1: 1 - указательные символы; 2 - текстовое поле; 3 - указательные символы; 4  измеряемый параметр; 5 - результат измерения с указанием размерности

 

На индикаторе указательные символы 1 означают: AUTO - автоматическая установка отсечки шага и участка ощупывания;  - нестандартные условия измерения;  - состояние зарядки аккумулятора; ANSI, JIS, ISO - выбранный стандарт. На текстовом поле 2 можно увидеть: Lt - величину отсечки шага; Lc - величину участка ощупывания; n — число отдельных участков измерения. Указательные символы 3: + TOL и - TOL показывают соответственно превышение верхней и нижней границы допуска измеряемого параметра; знаки «▲» и «▼» означают превышение соответственно верхней и нижней границы диапазона измерения.

Программа MarSurf PS1 / M 300 Explorer используется для печати протоколов измерений (рис. 1.14) с MarSurf PS1 на ПЭВМ.

 

Рисунок 1.14 – Протокол измерений шероховатости поверхности

 

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

1. Контролируемый образец размером Æ100 мм, Н = 20 мм.

2. Профилограф-профилометр MarSurf PS 1.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить виды отклонений от правильной геометрической формы поверхности, основные параметры шероховатости и аналитические выражения для их определения.

2. Осуществить измерение шероховатости параллельно поверхности детали, установленной на ровной поверхности согласно рисунку 1.10 под прямым углом к следам обработки с помощью профилограф-профилометра MarSurf PS 1. Если следы обработки не видимы, выполняют раздельно два измерения под углом 90 ° или три измерения под углом 60 ° друг к другу.

3. При помощи программного обеспечения "MarSurf PS1 Explorer" профилометра MarSurf PS 1 распечатать профилограмму поверхности опытного образца.

4. Используя полученную профилограмму определить относительную площадь касания и относительное сближение.

Для этого необходимо обработать профилограмму в следующей последовательности:

- в промежутке от вершины самого высокого и самого низкого относительно средней линии выступа надо провести 5-6 секущих плоскостей, параллельных этой линии (линия Б - Б на рис. 1.7 а);

- измерить расстояние от каждой да этих плоскостей до вершины самого высокого выступа и найти для каждой секущей плоскости сближение h₁, h₂ …h_i, мм;

- измерить и просуммировать длину участков микровыступов, которые пересекает каждая из указанных плоскостей (рис. 1.7 а), мм,

 

Δli = l₁ + l₂+...+ l_i.                                      (1.2)

 

- для каждой секущей плоскости определить относительную площадь касания

 

tp = Δli / l                                                 (1.3)

 

и относительное сближение

ε_i = h_i / Rmax,                                          (1.4)

 

где Rmax - максимальная высота микронеровностей, мм;

l - базовая длина профилограммы, мм.

Результаты измерений следует занести в таблицу 1.1.

5. Построить кривую опорной поверхности.

Используя систему координат, показанную на рисунке 1.7 б, следует построить начальный участок кривой опорной поверхности. Для этого на основании данных, приведенных в таблице 1.1, по оси абсцисс надо отложить значения параметра tр, а по оси ординат соответствующее ему значение параметра ε_i, и соединить полученные таким образом точки плавной кривой. В результате должна получиться вогнутая кривая, отражающая характер распределения материала в по­верхностных слоях твёрдого тела.

 

Таблица 1.1

Данные для построения кривой опорной поверхности

Параметр	Номер секущей плоскости
	1	2	3	4	5	6
hi, мм
Δli, мм
tp
εi

 

На основании анализа профилограмм определить параметры шероховатости поверхности Rа, Rz, S и Sm, мкм.

Для этого в пределах базовой длины профилограммы (рис. 1.7) следует найти соответствующие отклонения неровностей профиля относительно средней линии и произвести вычисления по известным выражениям.

Средним арифметическим отклонением профиля Ra, мкм, называют среднее арифметическое абсолютных значений y, мкм, отклонений профиля в пределах базовой длины l:

 

                           или .            (1.5)

 

Высота неровностей профиляпо десяти точкам Rz, мкм, представляет собой сумму средних абсолютных значений высот пяти наибольших вы­ступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины l:

 

,                           (1.6)

 

где y_pi — высота i-ro наибольшего выступа профиля, мкм;

y_vi — глубина i-й наибольшей впадины профиля, мкм.

Наибольшая высота неровностей профиля Rmax, мкм, является полной высотой профиля, т. е. расстоянием между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины.

Средний шаг местных выступов профиля S, мкм, - среднее значение шагов местных выступов профиля в пределах базовой длины

 

                                       .                                      (1.7)

 

Средний шаг неровностей профиля Sm, мкм, - среднее значение шага неровностей профиля по средней линии в пределах базовой длины

 

                                      .                                    (1.8)

 

Параметры S и Sm дают представление о расстояниях между характерными точками пересечения профиля со средней линией. В отчете необходимо выполнить вычисления по формулам (1.2), (1.8).

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Краткие теоретические сведения.

2. Описать конструкцию и принцип действия профилограф-профилометра MarSurf PS 1.

3. Результаты эксперимента по таблице 1.1.

4. График кривой опорной поверхности.

5.Выводы по основным параметрам, характеризующими макро- и микрогеометрию поверхностей трения твердых тел; о применении щупового метода для изучения геометрических характеристик профиля; описать конструкцииюи принцип действия профилограф-профилометра MarSurf PS 1; выполнить анализ профилограмм с целью построения кривой опорной поверхности; определить параметры шероховатости.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите основные причины отклонений от номинального профиля реальных поверхностей твердых тел.

2. Какие виды отклонений от правильной геометрической формы поверхности вы знаете?

3. Перечислите основные параметры шероховатости.

4. Для чего строится кривая опорной поверхности?

5. Как строится кривая опорной поверхности?

6. Каков принцип действия профилограф-профилометра?

7. В чем заключаются недостатки и преимущества щупового метода измерения профиля?

8. Поясните конструкцию и принцип действия профилографа MarSurf PS 1.

9. Перечислите определяемые прибором MarSurf PS1 параметры.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2