Контроль шероховатости поверхности

Профилометр

Профилометр позволяет определять чистоту поверхности в отверстиях диаметром от 8 5 мм. С дополнительными устройствами прибор может также записывать профилограмму. Малый датчик профилометра предназначен для измерения небольших деталей, в частности цилиндрических поверхностей диаметром от 8 мм. Помимо самописца, к прибору выпускается приставка для оценки чистоты поверхности по параметру – глубина сглаживания ( G) с диапазонами измерений: 0 – 1 25; 0 – 6 25 и 0 – 12 5 мк. Устройство рассчитано на использование его в процессе обработки. Сигнальная лампочка, расположенная на передней панели, горит до тех пор пока величина G не достигнет заранее установленного на приборе значения.

Профилометр должен быть рассчитан на измерение поверхности с регулярным профилем любой формы, а также поверхностей, отклонения неровностей которых от средней линии можно рассматривать как стационарный случайный процесс. На основе разложений в ряд Фурье можно предъявить определенные частотные требования к измерительному тракту щуповых приборов, для обеспечения правильного воспроизведения измеряемого Процесса или входной функции.

Профилометр Киселева, как и профилометр Аббо-та, – электромагнитный прибор, в котором катушка, жестко соединенная с ощупывающей алмазной иглой, перемещается в поле постоянного магнита. При ощупывании неровностей поверхности в витках катушки возбуждается ток, который поступает па интегрирующий контур и после усиления на стрелочный прибор, на котором отсчитывается величина среднего ква-дратического отклонения высот неровностей.

Профилометр показывает числовое значение измеряемого параметра шероховатости.

Профилометры этого типа используют преобразователи из длинных пластинок сегнетовой соли, работающих на изгиб ( фиг. Игла 1 прижимается под действием собственного веса подвижной части 2 преобразователя к испытуемой поверхности детали 3, устанавливаемой либо на плите 4, либо на столике 5, в зависимости от размеров детали. Подвижная часть с ощупывающей иглой совершает возвратно-поступательное перемещение в направлении стрелки а. Привод 6 с подвижной частью 2 может перемещаться по направляющей колонке стойки 7 в вертикальном направлении, занимая положение, определяемое размерами испытуемой детали.

Профилометры применяются для оценки чистоты поверхности в пределах 5 – 12-го класса чистоты. Оценка чистоты поверхности 10 – 14-го классов осуществляется микроинтерферометрами Линника.

Профилометр в данном случае неприменим, так как он царапает поверхность слепка и искажает форму неровностей.

Профилометры и профилографы применяют для лабораторного исследования чистоты обработанной поверхности.

Профилометр имеет аналогичную конструкцию и техническую характеристику, но вместо индуктивного датчика в нем использован механотрон. Высокая чувствительность механотрона позволила значительно упростить электрическую схему прибора.

Профилометр используется для исследования поверхности путем ощупывания иглой. Возникающие при перемещении колебания иглы, возбуждают электрический ток в катушке, с которой соединена игла. Сила тока пропорциональна скорости движения иглы. Через цепь усилителей профилометр присоединяется к осцилографу, на экране которого можно наблюдать в увеличенном виде как вертикальные, так и горизонтальные перемещения иглы.

Разновидности измерительных аппаратов

Профессиональный профилометр контурограф может быть контактным и бесконтактным. Первый оснащен специальным щупом с твердым наконечником. Функции второго реализуются благодаря оптической системе или лазерным лучам. Они позволяют выполнять оперативное сканирование и статистическую обработку полученной информации.

Бесконтактные приборы имеют более высокую стоимость. Цена окупается большой производительностью. Покупать их нужно для крупного предприятия, где предполагается проверка большого количества исследуемых образцов. Для маленьких компаний подойдут аналоги со щупами

Выбирая подобный измерительный прибор, нужно обращать внимание на тип применяемого в конструкции датчика. Он влияет на точность и качество измерений, определяет стоимость

Основные области применения профилометра-контурографа

Измерительная техника нашла широкую сферу использования. Представленные устройства являются незаменимыми на предприятиях:

• выпускающих электронные приборы;
• конструирующих машины, станки и другие технические средства;
• осуществляющих экспертизу продукции.

Используются устройства в метрологических центрах, лабораториях, научных и исследовательских центрах различных отраслей деятельности. В зависимости от предназначения и условий эксплуатации, можно купить измерительные приборы портативного и стационарного типа. Первые отличаются компактными габаритами и высокой мобильностью. Вторые наделены большим количеством опций, имеют увеличенную производительность.

Выбирая профилометр-контурограф, необходимо учитывать несколько параметров. К числу таковых относятся способ осуществления настроек, уровень погрешности, показатели измерений

Важно отдавать предпочтение продукции проверенных производителей, оценивать удобство и простоту использования, допустимые условия применения. Не целесообразно экономить на приобретении измерительной техники.

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.

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.

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.

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.

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.

Действие прибора основано на принципе ощупывания неровностей измеряемой поверхности щупом (алмазной иглой) в процессе перемещения индуктивного датчика вдоль измеряемой поверхности и последующего преобразования возникающих при этом механических колебаний щупа в цифровой сигнал.

В комплект поставки прибора входит индуктивный датчик 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 устанавливается непосредственно на детали или на стойке, на которой также устанавливается измеряемая деталь. Питание датчика, управление приводом, формирование и обработка сигнала и измерительной информации осуществляется с помощью информационно-вычислительного блока, выполненного в виде платы, встраиваемой в компьютер, привод или в выносной блок компьютера. Управление профилометром осуществляется с клавиатуры привода или персонального компьютера.

Данные с прибора могут быть обработаны посредством специального программного обеспечения, которое производит расчет параметров шероховатости, задавая требуемые условия измерений, выводит на экран профилограмму измеренного профиля, выделяет на ней отдельные участки и производит расчет значений параметров шероховатости, выделяет отдельные элементы профиля и определяет их геометрические параметры (линейные размеры, углы наклона), а также производит накопление и хранение результатов измерений и их статистическую обработку.

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 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.

Пределы допускаемой основной погрешности А для профиля, близкого к

(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 вершины иглы, мкм Тип фильтра

Диапазон рабочих температур, °С Габаритные размеры, мм, не более привод датчик стойка

Технические характеристики

Основные метрологические и технические характеристики профилометров

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:

1. Плиту с Т-образными пазами, в которых закрепляется металл изделия.
2. Лазерную сканирующую головку.
3. Оптический датчик.
4. Волновод.
5. 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

Классификация и нормы

Неровности в зависимости от отношения их шага

L к высоте Н

условно можно разделить на шероховатость с

LH<50

и волнистость с

LH=50÷1 000

Неровности с

LH>1 000

относят к макронеровностям, т. е. к отклонениям формы.

Шероховатость поверхности — совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности и рассматриваемых в пределах участка базовой длины, который выбирают в зависимости от характера поверхности.

Волнистость поверхности — совокупность периодических отклонений поверхности от заданной геометрической формы с шагом, превышающим базовую длину для определения шероховатости.

Все перечисленные виды неровностей по-разному влияют на Общие методы ремонта и повышения ресурса деталей эксплуатационные качества деталей и собранных из них узлов. Поэтому в чертежах отдельно указывают допустимые значения шероховатости поверхности, волнистости или отклонений формы.

Нормы волнистости не стандартизованы и при ее назначении руководствуются ведомственными нормалями или рекомендациями института Машиноведения, в которых волнистость подразделена на следующие классы:

Шероховатость поверхности оказывает большое влияние на прочность соединения, величину зазоров или натягов в посадке, усталостную прочность деталей, стойкость против коррозии, коэффициент трения и др.

Для оценки шероховатости поверхности приняты два критерия: среднее арифметическое отклонение профиля R_a и высота неровностей R_z.

ГОСТ 2789—59 устанавливает 14 классов чистоты поверхности, причем классы с 6 по 14 дополнительно делятся на разряды (табл. 1). Для классов 1—5 и 13—14 основной является шкала Rz, а для классов 6—12 — шкала Ra.

Измерение шероховатости производится в направлении, дающем наибольшее значение R_a или R_z, т. е. в направлении приблизительно перпендикулярном к направлению резания. Имеющиеся на поверхности отдельные дефекты (раковины, вмятины и т. п.) при измерении шероховатости не учитывают.

Способы измерения

Показатель может быть измерен путем ручного сравнения с «компаратором шероховатости» (образец известной шероховатости поверхности), но в более общем случае измерение профиля поверхности выполняется с помощью профилометров. Они могут быть контактного типа (как правило, алмазный стилус) или оптическими (например, интерферометр белого света или лазерный сканирующий конфокальный микроскоп).

Однако контролируемая шероховатость часто может быть желательной. Например, глянцевая поверхность может быть слишком блестящей для глаз и слишком скользкой для пальца (хороший пример — тачпад), поэтому требуются контролируемые показатели. Шероховатость поверхности — это тот случай, когда амплитуда и частота очень важны.

Ее значение может быть рассчитано либо по профилю (линия), либо по поверхности (площадь). Параметр шероховатости профиля (Ra, Rq, …) встречается чаще. Параметры шероховатости площади (Sa, Sq, …) дают более значимые определения.

Обозначение шероховатости поверхности

Шероховатость поверхностей обозначают на чертеже для всех выполняемых по данному чертежу поверхностей изделия, независимо от методов их образования, кроме поверхностей, шероховатость которых не обусловлена требованиями конструкции.

Структура обозначения шероховатости поверхности включает знак шероховатости, полку знака и другие дополнительные указания. При применении знака без указания параметра и способа обработки его изображают без полки.

Высота h должна быть приблизительно равна применяемой на чертеже высоте цифр размерных чисел. Высота H равна (1.5…5) h. Толщина линий знаков должна быть приблизительно равна половине толщины сплошной основной линии, применяемой на чертеже.

Измерители шероховатости поверхности (Профилометры)

Шероховатость поверхности — совокупность неровностей на поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине. Шероховатость измеряется в микрометрах. Шероховатость относится к микрогеометрии твёрдого тела и определяет его основные эксплуатационные свойства: прочность, герметичность(в случае соединений), износостойкость и внешний вид. При проектировании деталей машин обязательно указывается шероховатость поверхности на чертежах и в технологических картах.Исходная шероховатость является следствием технологической обработки поверхности материала: сверление, точение, фрезерование, зенкерование, шлифование.В результате изнашивания параметры шероховатости, обычно, изменяются и образуется эксплуатационная шероховатость.

Для измерения неровностей поверхности широко используются контактные приборы- профилометры. Измерители шероховатости поверхности предназначены для измерений в лабораториях и цехах машиностроительных и приборостроительных производств, а также в полевых условиях. Измерение параметров шероховатости производится по системе средней линии в соответствии с ГОСТ 2789-73. Этот стандарт нормирует типы и направления неровностей и общие указания по установлению требований к шероховатости. Стандарт не распространяется на шероховатость ворсистых и других поверхностей, характеристики которых делают невозможным нормирование шероховатости. Стандарт также не распространяется на дефекты поверхности, являющиеся причиной случайных повреждений или дефекты материала( трещины, раковины). При контроле шероховатости влияние дефектов поверхности должно быть исключено.При необходимости дополнительно к параметрам шероховатости поверхности устанавливаются требования к направлению неровностей поверхности, к способу или последовательности способов получения (обработки) поверхности.Портативный измеритель шероховатости контактного типа имеет датчик, тонкая игла которого выполнена из твердого материала. В процессе измерения алмазная игла перемещается вдоль измеряемой поверхности, огибая все неровности этой поверхности. Игла жестко соединена с электронным датчиком, который преобразует перемещение иглы в вертикальной плоскости в электрический сигнал. Электрические сигналы, полученные от датчика,позволяют получить следующие основные параметры шероховатости: Ra, Rz,Рmax.

Измерители шероховатости различаются по количеству измеряемых параметров. диапазону измерений и точности измерений. Одними из самых популярных приборов для измерения шероховатости поверхности являются профилометры компании TIME Group Inc: измеритель шероховатости TR100, измеритель шероховатости TR200.Измеритель шероховатости Time TR 110 отличается доступной ценой и портативными размерами. Измеритель шероховатости Time TR 210 позволяет измерять 4 основных параметра шероховатости. Чем выше стоимость прибора, тем больше параметров измеритель шероховатости может измерить или рассчитать математически.

Эталоны шероховатости Elcometer 125

Эталоны шероховатости поверхности Elcometer 125 используются для оценки шероховатости поверхности после струйной очистки по ISO 8503-1 и ISO 8503-2. Эталоны (компараторы) Elcometer 125 поставляются в двух вариантах: – Grit (песок) – для поверхностей после пескоструйной обработки и Shot (дробь) – для поверхностей после дробеструйной обработки. Наборы поставляются в виде пластин по четыре секции в каждой. Пескоструйные образцы имеют среднее значение высоты профиля (h_y) 25, 60, 100, 150 мкм. Дробеструйные имеют номиналы 25, 40, 70 и 100 мкм. Производство Elcometer – Великобритания.

Определение шероховатости по компараторам Elcometer 125 проводится визуально или на ощупь (пальцем, ногтем или специальной деревянной палочкой). Данный метод применим также к поверхностям, которые подверглись очистке с помощью других металлических или не металлических абразивных материалов. Инструкция по работе с образцами шероховатости Elcometer 125 описана в ISO 8503-2 и включает следующие шаги:

1. Удалить с исследуемой поверхности всю осевшую на нее пыль и мусор;
2. Подобрать компаратор, соответствующий профилю исследуемой поверхности и расположить его напротив исследуемого образца;
3. Сравнить поочередно исследуемую поверхность образца с четырьмя сегментами компаратора, используя в случае необходимости лупу. Если применяется лупа, ее следует расположить так, чтобы в ней было одновременно видна исследуемая поверхность и сегмент компаратора;
4. Определить профиль компаратора, затем соответствующий (близкий) профиль исследуемой поверхности и исходя их этого определить группу: FINE – чистая, MEDIUM – средней чистоты, COARSE – грубая;
5. Повторить испытания с компаратором для каждого соседнего участка исследуемой поверхности и зафиксировать данные.

Дополнительная информация:

• Переводы международных стандартов ISO 8503-1, ISO 8503-2, ISO 8503-3
• ГОСТ 9378-93 Образцы шероховатости поверхности (сравнения)