Materialy pomocnicze do laboratorium №4

Pomiary chropowatości i falistości powierzchni

1. Wiadomości wstępne

Zbiуr wszystkich nierуwności powierzchni nazywa się strukturą geometryczną powierzchni. Strukturę geometryczną powierzchni analizuje się najczęściej w przekrojach płaszczyzną prostopadłą do powierzchni, zwanych profilami powierzchni. W przypadku występowania kierunkowości struktury typowym jest wykorzystanie tzw. profilu poprzecznego, czyli leżącego w płaszczyźnie prostopadłej do śladуw obrуbki. Pomiary profilu powierzchni wykonuje się względem profilu odniesienia realizowanego przez prowadnice przyrządu. Po wypoziomowaniu profilu, tzn. oddzieleniu z profilu odwzorowanego nachylenia wynikającego z braku rуwnoległości powierzchni przedmiotu do linii pomiaru oraz z odchyłek kształtu otrzymuje się tzw. profil pierwotny. Profil ten zwykle rozdziela się na profile falistości i chropowatości. Zarуwno dla profilu pierwotnego, jak i dla profili chropowatości i falistości definiuje się charakteryzujące je parametry. Umowny podział profilu odwzorowanego na profil kształtu, falistości i chropowatości przedstawiono na rys.1. Wydzielanie z profilu powierzchni profili falistości i chropowatości może być realizowane na wiele sposobуw.

Rys.1 Profile powierzchni

Do definicji parametrуw profilu, chropowatości i falistości powierzchni używa się pojęć zebranych w normach PN-EN ISO 4287:1998, PN-ISO--3274:1997. Do najważniejszych należą:

— profil powierzchni — profil uzyskany przez przecięcie powierzchni przedmiotu określoną płaszczyzną (rys.1,2),

— profil odwzorowany — miejsce geometryczne punktуw środka wierzchołka ostrza odwzorowującego o idealnym kształcie geometrycznym (stożkowym z wierzchołkiem kulistym) i wymiarach nominalnych, przemieszczającego się po powierzchni w płaszczyźnie przekroju,

— profil odniesienia — linia odwzorowująca przesuwanie się czujnika wzdłuż płaszczyzny przekroju wzdłużnego prowadnicy/

— profil całkowity — cyfrowa postać profilu odwzorowanego względem profilu odniesienia, z przyporządkowanymi wzajemnie wspуłrzędnymi pionowymi i poziomymi,

Wymienione profile stanowią abstrakcyjne, geometryczne twory; są jednak znane sposoby pomiaru i rejestracji, które wyznaczają te profile, a zwłaszcza profile chropowatości i falistości. Zasada tych pomiarуw polega — ogólnie — na odpowiednim odfiltrowaniu, mechanicznym lub elektrycznym, sygnałуw pochodzących od nierуwności powierzchni o rуżnych odstępach wierzchołkуw.

Rys.2. Profil powierzchni

Jako kryterium rozrуżnienia profili można przyjąć stosunek odległości między sąsiednimi nierуwnościami do ich głębokości. Dla odchyłek kształtu stosunek ten przekracza 1000, dla falistości wynosi od 150 do 1000, a dla chropowatości — od 5 do 150. Nierуwności, dla ktуrych wspomniany stosunek jest mniejszy od 5, zaliczane są do skaz (wad, np. pęknięć) powierzchni.

Należy zwrуcić uwagę, że profil falistości nie zawiera chropowatości, jak rуwnież odchyłek kształtu, czyli jest w specyficzny sposуb „wyprostowany"; buduje się go wokуł profilu kształtu. Podobnie profil chropowatości nie zawiera ani odchyłek kształtu, ani falistości (rys.2).

Do liczbowej oceny falistości i chropowatości obiera się pewną linię odniesienia; rolę tę odgrywa linia średnia profilu (rys. 3). Ma ona kształt profilu nominalnego (np. linii prostej, jak na rys. 3, luku okręgu itp.) i dzieli profil w ten sposуb, że suma kwadratów odległości Zpi i Zvi punktów profilu od tej linii osiąga minimum.

Rys.3. Rysunek do definicji parametrуw profilu powierzchni

2. PARAMETRY CHROPOWATOŚCI

Uwagi wstępne

Aby definiować parametry chropowatości, należy wyodrębnić odcinek elementarny Ir profilu — tak mały, aby na nim można było pominąć falistość. Wybór odcinka elementarnego dla konkretnego profilu zależy od charakteru struktury geometrycznej badanej powierzchni; odcinek elementarny obiera się tym dłuższy, im bardziej chropowata jest mierzona powierzchnia. Wytyczne podaje PN. Znormalizowane długości odcinkуw elementarnych wynoszą 0,08†8 mm.

Pomiar wybranego parametru chropowatości odbywa się na pewnym odcinku pomiarowym Ln, ktуry zawiera zwykle 5 odcinkуw elementarnych. Niektóre parametry definiowane są bezpośrednio na odcinku pomiarowym.

Opracowano wiele parametrów do liczbowej oceny chropowatości po­wierzchni; w następnych podrozdziałach są omówione ważniejsze parametry chropowatości.

Parametry pionowe

Parametry te (znane także jako amplitudowe) odnoszą się do wysokości nierówności. Najczęściej stosowane to:

• największa wysokość profilu (chropowatości) Rz definiowana na odcinku elementarnym (rys. 4);

Rys. 4. Profil chropowatości i parametr Rz na odcinku elementarnym

·         całkowita wysokość profilu Rt definiowana jak Rz, lecz na odcinku po­miarowym In; dla tego samego profilu zachodzi oczywista zależność Rt ;> Rz;

·         średnia arytmetyczna rzędnych profilu Ra definiowana na odcinku ele­mentarnym:

Ra =

gdzie Z — rzędne punktów profilu mierzone od linii średniej (rys.              4)
przyjętej jako oś x;

·         średnia kwadratowa rzędnych profilu Rq definiowana na odcinku elementarnym:

Rq =

1)        parametry oparte na odchyleniach wybranych, ekstremalnych punktów profilu:  Rz,Ri;

2)        parametry oparte na odchyleniach wszystkich (teoretycznie) punktów: Ra, Rq.

Jest oczywiste, że parametry grupy (2) lepiej charakteryzują profil chropo­watości, jednak są trudniejsze do zmierzenia (wymagają użycia przyrządów całkujących — profilometrów). Historycznie starsze są parametry grupy (1), stosunkowo łatwe do zmierzenia.

Należy podkreślić, że między wartościami różnych parametrów chropowatości dla tego samego profilu nie ma żadnych ścisłych zależności, gdyż ich definicje oparte są na zupełnie odmiennych założeniach. Zależności takie mogą być je­dynie przybliżone, możliwe do wyznaczenia dla powierzchni obrobionych okre­ślonym sposobem (toczonej, frezowanej, szlifowanej itp.). Tak więc, dwa profile o tej samej wartości np. Ra będą miały na ogół różne wartości Rz.

Porównując dwa najczęściej stosowane parametry — Ra i Rz — można"
zauważyć, że dla konkretnego profilu większą (parokrotnie) wartość będzie
miał zawsze parametr Rz, ponieważ wartość Rz wynika jedynie z dwóch
ekstremalnych wartości rzędnej Z, a wartość Ra — zc wszystkich, w tym
takżo-zerowych. Bardzo zgrubnie można oszacować, że dla tego samego profi-
lu Rz ≈ 6Ra.

Parametry poziome

Z parametrów chropowatości tej grupy (tzw. odległościowych) obecnie jest znormalizowany tylko jeden:

średnia szerokość elementów profilu RSm, definiowana na odcinku elementarnym (rys. 5):

RSm =

Gdzie Xsi – szerokość kolejnych elementów profilu< czyli wznieseń i sąsiadujących wgłębień profilu.

Rys.5. Szerokość elementu profilu.

Krzywa Abbota

Przecinając profil chropowatości na założonym poziomie c (rys. 6.5), otrzymuje się pewną liczbę odcinkуw Mri.  Ich suma jest długością materiałową Ml(c), zależną od przyjętego poziomu c. Długość materiałową wyznacza się na odcinku pomiarowym ln.

Stosunek długości materiałowej do długości odcinka pomiarowego jest udziałem materiałowym profilu:

Rmr(c) =

Wykres zależności udziału materiałowego profilu od poziomu c jest krzywą udziału materiałowego, znaną także jako krzywa Abbota-Firestona lub w skrуcie — krzywa Abbota (rys. 6.). Krzywą Abbota rysuje się zazwyczaj specyficznym układzie, udział materiałowy (wyrażony procentowo) odmierzając na osi odciętych, a poziom c, jako procent całkowitej wysokości profilu Rt — na osi rzędnych (wartość zerowa — na górze). Taki układ krzywej ma

charakter poglądowy, gdyż odpowiada kierunkom na rysunku profilu (profilogramie).

Rys. 6. Profil powierzchni i krzywa udziału materiałowego (krzywa Abbota)

Kształt krzywej Abbota mуwi o odporności powierzchni na zużycie. Głуwnym celem wszystkich sposobуw obrуbki wykańczającej (gładkościowej) jest zwiększenie udziału materiałowego profilu chropowatości i uzyskanie krzywej Abbota o odpowiednim kształcie.

Klasyfikacja pomiarów chropowatości i falistości powierzchni

Wychodząc z aktualnego stanu normalizacji, metody pomiaru można podzielić na liniowe (powszechnie stosowane) i powierzchniowe. Biorąc pod uwagę sto­sowane techniki pomiarów, trzeba wyróżnić przede wszystkim metody mecha­niczne, optyczne, ale również inne (np. pneumatyczne). Próbę klasyfikacji metod pomiaru, na podstawie przedstawiono w tabl. 1.

Zasada pomiaru

Zasadę pomiaru stykowego chropowatości i falistości powierzchni przedstawiono na rys.1.

Rys. 1. Zasada pomiaru stykowego chropowatości i falistości powierzchni; 1 — mierzony przedmiot, 2 — głowica pomiarowa, 3 — mechanizm posuwu, 4 — wzmacniacz, 5 — filtr, 6 — rejestrator. 7 — moduł opracowujący sygnał pomiarowy, 8 — wskaźnik

Głowica pomiarowa przyrządu przesuwa się wzdłuż kierunku mierzonego profilu (najczęściej wzdłuż linii prostej) ze stałą prędkością. Ostrze odwzo­rowujące dzięki naciskowi pomiarowemu styka się z powierzchnią mierzonego przedmiotu. Zmiany wzajemnego położenia ostrza odwzorowującego względem pozostałych elementów głowicy pomiarowej, wywołane chropowatością powierzchni, falistością powierzchni, odchyłkami kształtu, a także brakiem rów­noległości przedmiotu do kierunku przesuwu są zamieniane w przetworniku przyrządu na sygnał elektryczny. Sygnał ten po wzmocnieniu może być poddany filtracji celem usunięcia niepożądanych składowych. Itak, przy pomiarze chropowatości powierzchni z sygnału odfiltrowuje się odchyłki kształtu i fa­listość, a przy pomiarze falistości powierzchni — odchyłki kształtu i chro­powatość. Następnie sygnał może zostać zarejestrowany lub poddany opra­cowaniu celem wyznaczenia wartości określonego parametru.