Профилометри

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2006

 

Грапавост и вълнообразност на повърхнините, оптически методи за измерване

Повърхнините на вече обработените детайли не са идеално гладки. По тях са разположени произволно или в определен ред издатини и падини с определена височина и форма и сравнително малка стъпка, известни под наименованието грапавини (или микрограпавини). Приборите, които измерват отклоненията на детайлите от правилната геометрична форма и изследват грапавостта и вълнообразността на повърхнините, се наричат профилометри.

Грапавост на повърхнините

Причините, които водят до образуването на грапавините, са разнообразни и са свързани с вида на обработката на повърхнината, геометрията и състоянието на обработващия инструмент, режима на работа, вида и микроструктурата на обработвания материал и т.н. Съвкупността от грапавините, които оформят релефа на повърхността и се оценяват в участък, несъдържащ отклонения на формата и вълнообразност, е познато под името грапавост на повърхнината. Грапавостта на повърхнините на детайлите оказва силно влияние върху експлоатационните им свойства. По тази причина са разработени и утвърдени стандарти, които регламентират параметрите за оценка на грапавостта, числените им стойности и означаването на изискванията към грапавостта. В съответствие с въведените стандарти са разработени методи и средства за контрол на грапавостта на повърхнините. В световната практика са разпространени две системи за оценка на грапавостта - система на средната линия на профила (система М) и система на обвиващата линия на профила (система Е).

Измерен и реален профил

Реалните повърхнини се различават от номиналните, които са идеални, т.е. без отклонения на формата, грапавост и вълнообразност. При измерването действителната повърхнина не може да се възпроизведе съвсем точно поради грешки на измерването с измервателните средства. Затова повърхнината, получена в резултат на измерването, се нарича измерена повърхнина. При пресичането на номиналната повърхнина с равнинна повърхнина, която заема спрямо нея предварително определено положение, се получава номинален профил. Ако реалната повърхнина се разреже с равнинна повърхнина, получава се реален профил, а при разрязването на измерената повърхнина – измерен профил. В практиката най-често се борави с измерения профил, наричан профилограма.

Параметри за оценка на грапавостта

В зависимост от свойствата, които характеризират, параметрите за оценка на грапавостта се класифицират в три групи:

l параметри, характеризиращи свойствата на грапавините по височина;

l параметри, характеризиращи свойствата на грапавините в надлъжно направление;

l параметри, характеризиращи формата на грапавините.

Към първата група се отнася максималната височина на грапавините (Rm), която се дефинира като разстоянието между линията на върховете и линията на падините в границите на базовата дължина. Друг широко използван параметър е височината на грапавините по десет точки (Rz). Дефинира се като сбор от средните по абсолютна стойност височини и падини съответно на пет най-високи издатини и пет най-дълбоки падини в границите на базовата дължина. Свойствата на грапавините по височина се характеризират и със средноаритметичното отклонение на профила (Ra). Характеристиката се определя като средноаритметично на абсолютните стойности на отклоненията на профила в границите на базовата дължина. Групата обхваща и средната стъпка на местните грапавини на профила (S), която представлява средноаритметичната стойност на стъпките на местните издатини на профила в границите на базовата дължина.

Втората група включва параметрите средноквадратичен наклон на профила и средноаритметичен наклон на профила. Средноквадратичният наклон на профила (Dq) представлява средноквадратичната стойност на тангенсите на ъгъла на наклона на профила в границите на базовата дължина.

Вълнообразност на повърхнините

Между отклонение на формата, вълнообразност и грапавост на повърхнините няма физическа граница. Прието е големината на отношението (S/W), където (S) е стъпката на неравностите, а (W) – височината им, да бъде критерий за грапавост и вълнообразност. При съотношение S/W по-голямо от 1000 се говори за отклонение на формата. Ако 40 Ј S/W Ј 1000 неравностите се определят като вълнообразност, а при S/W < 40 за грапавост.

Най-често вълнообразността има синусоидален характер, което е следствие от колебанията в системата металорежеща машина–приспособление–инструмент–детайл, възникващи поради неравномерността на силите на рязане, наличието на неуравновесени маси, грешки в задвижването и други.

Микроинтерференционни методи

Използването на интерференцията на светлината като принцип на действие на профилометрите значително разширява границите на изследване грапавостта на повърхнините. Уредите за изследване на неравностите на повърхнините, основани на други методи, имат ограничена разделителна способност и чувствителност на измерване (както по отношение на височината на неравностите, така и в равнината на изследвания обект). Интерференционните методи се отличават с по-добри метрологични показатели в сравнение с други методи за оценка на грапавостта, като растерен метод, метода на засенчването, фотоелектрическия метод и др.

Принципът на работа на интерференционните профилометри се базира на обстоятелството, че ако към изследваната повърхност се насочи светлинен сноп, то вълновият фронт на този сноп при отражение от изследвания участък на повърхността, ще се деформира в съответствие с неравностите на повърхността. Чрез сравняване на деформирането на вълновия фронт спрямо базовия, на основата на интерференция на светлината става възможно измерването на грапавостта.

Принцип на работа

Както е известно, във въздушното клиновидно пространство между две плоскопаралелни пластинки при осветяване с монохроматична светлина се наблюдава явлението интерференционна картина с ивици на равна дебелина. Разстоянието между интерференционните ивици съответства на изменението на дебелината на клина с l/2 (половината от дължината на вълната на използвания монохроматичен източник на светлина). В действителност, разликата в хода на светлинните лъчи, е равна на 2d, където d е дебелина на клина в дадено място. Ако разликата в хода на лъчите е равна на цяло число от дължината на вълната, се получава отслабване на светлината, т.е. в местата, съответстващи на тази дебелина, се образуват тъмни интерферационни ивици.

Формата на интерференционните ивици определя геометрическото място от точки, съответстващи на равна дебелина, а съответно и на равна височина на неравностите, в случай че има такива върху долната или горната повърхност. Наблюдението на ивиците на равна дебелина дава възможност с голяма степен на точност да се определи характерът на неравностите по повърхността. Но тъй като в областта на грапавост неравностите са разположени много близо една до друга и представляват сами за себе си микроскопически обекти, за пълното им изследване се налага използване на микроскоп.

Предимства и недостатъци на метода

С използването на микроинтерферометър става възможно изследването на много фини повърхности, с височина на неравностите до една стотна от микрометъра. Микроинтерференционните методи с основание се определят като точни, прецизни и с висока чувствителност. Прагът на чувствителност на интерферометъра при контактен метод на измерване е равен на l/2, което съответства на преместване на интерференционната ивица с една стъпка. За безконтактни измервания, при които за височината на неравностите се съди по деформацията на интерференционната картина, чувствителността е 0,1 от разстоянието между ивиците, обусловено от възможностите на човешкото око да забелязва такива деформации. Като недостатък на метода се определя сложната оптична схема и високата цена на тези профилометри.

Растерен метод
за измерване на грапавост

Растерният метод за изследване на отклонението от правилната геометрична форма има дълга история. Първоначално методът е намирал приложение за изучаване на отклоненията от правилната геометрична форма на шлифовани стъклени повърхности. Същността на метода се състои в получаването на т.нар. моарова картина. Върху изследваната повърхност се налага стъклена пластина с нанесени щрихи, разположени на близко разстояние една от друга. Към повърхността се насочва наклонен светлинен сноп и получената в резултат на отражението картина от растеровата мрежа, се вижда наклонена спрямо ивиците на самата пластина, във вид на моарова картина.

Предимства и недостатъци на метода

Чрез подходяща промяна на стойността на делението на муаровите ивици е възможно измерване на параметрите на грапавостта и вълнообразността в широк диапазон. При оценка на грапавостта чрез изследване на получената моарова картина се предявяват големи изисквания към качествата на оптичните детайли в профилометъра. Причината е, че местните дефекти върху техните повърхнини променят формата на муаровата картина, а това внася систематична грешка в резултата. Също така, при безконтактен метод на измерване загубите на светлина са големи. Друг основен недостатък на метода е че при изследване на повърхнини с малък клас на грапавост (фини повърхнини), грешката е съизмерима със стойността на измерената величина.

По тази причина профилометри, функциониращи на основата на този метод, намират приложение за изследване на повърхности с голям клас на грапавост и за определяне на вълнообразност на процесите.

Метод
на засенчването

Този метод е удобен за изследване на сравнително груби повърхности. Към изследваната повърхност се насочва светлинен сноп под някакъв ъгъл и на пътя на този сноп се разполага екран с праволинейни страни. Мястото на екрана не е случайно, а внимателно подбрано с оглед минимизиране на разсейването на лъчите, предизвикано от реалните размери на източника на светлина. Границата на сянката, формирана от отражението на светлинните лъчи от повърхността, представлява засенчена картина на профила на участъка, срещу който се намира екранът. Тази граница може да се наблюдава през микроскоп.

Предимства на метода са ниската цена и елементарната конструкция на съответните уреди. Методът не се характеризира с висока точност на измерването, тъй като се получава изкривяване на профила. Определените по този метод параметри на грапавостта в голяма степен не съответстват на истинските им стойности.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top