Измерване на грапавост

• Техниката на измерване може да бъде класифицирана в две широки категории – контактен и безконтактен тип
  
  
• Преимущество на безконтактните измервателни уреди е липсата на риск от повреждане на изследваната повърхност
  
  
• В сравнение с контактните сонди оптичните профиломери могат да предоставят много по-големи обеми информация с много високи скорости

Текстурата представлява съвкупност от повтарящи се или случайни отклонения от нормалната повърхност, която формира триизмерната й топография. Понятието обхваща грапавост (нано- и микрограпавост), вълнообразност (макрограпавост), направление на неравностите и пукнатини. Нано- и микрограпавостта се формират вследствие на флуктуации в повърхността с малка дължина на вълната, характеризиращи се с издатини и падини с варираща амплитуда и стъпка. Вълнообразността се характеризира с повърхностни отклонения с по-голяма дължина на вълната. Тя може да се получи в резултат на изкривяване на машината или детайла, топлинна обработка или усилия на деформация. За основно направление на неравностите се приема преобладаващата ориентация на повърхностните неравности, формиращи се в зависимост от производствения метод. Пукнатините представляват неумишлени, неочаквани и нежелани нарушения на текстурата.

Размерът и конфигурацията на грапавините оказват значително влияние върху качеството и функционалността на крайните продукти. Те могат да окажат въздействие върху характеристиките на повърхността по отношение на триене, якост, отделяне на шум при експлоатация и потенциал за постигане на въздухонепроницаемост. Това налага необходимостта от прецизното измерване и контролиране на грапавостта.

На пазара се предлагат различни инструменти за измерване на грапавост. Техниката на измерване може да бъде класифицирана в две широки категории – контактен тип, при който компонент на измервателния уред влиза в контакт с измерваната повърхност, и безконтактен тип. Използването на контактни измервателни уреди със сонда с остър връх може да доведе до увреждане на повърхността особено ако е мека. При тези измервания нормалните натоварвания трябва да бъдат достатъчно малки, за да не се стигне до ситуация, в която натискът да превиши твърдостта на повърхността на материала.

Механично измерване със сонда

При измервателните уреди от контактен тип върхът на сонда влиза в директен контакт с повърхността на обекта на изследване. Вертикалното движение на сондата се трансформира в електрически сигнали, които преминават през процеси на усилване и цифрово преобразуване, след което се записват. За да може прецизно да се измери грапавостта на фини детайли, радиусът на върха на сондата трябва да бъде възможно най-малък, а натискът при контакт с повърхността – нисък. Сондите се изработват от сапфир или диамант и върхът им обикновено е с радиус от 10 или по-малко микрометра. Най-разпространени са моделите сонди с конична форма със сферичен връх.

Инструментите от контактен тип предлагат надеждно измерване, тъй като влизат в пряк контакт с повърхността на детайла. Методът обаче се характеризира и с редица недостатъци – невъзможност за измерване на вискозни материали, измерването е продължително и времеемко, възможно е надраскване на измерваната повърхност, както и срещане на трудности при позициониране на сондата и специфицирането на измервателните точки.

В допълнение сондата следва да се полира регулярно, тъй като с времето се износва. Характерът на износване варира, като върхът на сондата може да придобие плоска или заоблена форма в зависимост от материала и формата на измервания обект. Различната форма на върха на сондата, разбира се, ще доведе до генерирането на различни резултати. Степента на износване на сондата може да се определи чрез сравняване на отчетената грапавост с референтни данни за повърхността на тестов детайл.

Оптична профилометрия

При този метод вместо сонда с диамантен или сапфирен връх за засичане на повърхностните неравности се използва светлина. Тази безконтактна техника позволява триизмерно измерване на повърхността, но повечето оптични профиломери предлагат и функции за двуизмерно определяне на повърхностната грапавост, подобно на описаните по-горе профиломери със сонда.

От ключово значение при оптичните профиломери е насочването на светлинния лъч. Ако ъгълът между измерваната повърхност и светлинният лъч не е подходящ, получените резултати ще са с ниско ниво на точност.

Оптичните профиломери могат да използват различни методи за детекция на повърхностните неравенства – лазерна триангулация, конфокална микроскопия, интерферометрия или дигитална холография. Преимущество на безконтактните измервателни уреди е липсата на риск от повреждане на изследваната повърхност. Времето за измерване при тези методи се определя от общата сканирана площ. В сравнение с контактните сонди оптичните профиломери могат да предоставят много по-големи обеми информация с много високи скорости. Един 3D лазерен сканиращ микроскоп например може да предостави изображение с резолюция 1024 х 768 пиксела за около 0,1 секунди. Приблизително 10 секунди са необходими за събиране на 3D данни със 100 стъпки в Z направление. За единична хоризонтална линия данните с 1000 стъпки могат да бъдат събрани за близо 1,5 секунди. С помощта на конвенционален микроскоп обикновено не могат да бъдат измерени обекти с по-големи размери. На пазара обаче се предлагат 3D лазерни сканиращи микроскопи, чиято конструкция може да бъде разделена на измервателна глава и основа, предоставяйки възможност за изследване на грапавостта на детайли с всякаква големина.

Оптичната профилометрия е установен метод вече в продължение на над 20 години и редица компании предлагат този тип инструменти. Оптичните профиломери могат да измерват с висока точност грапавостта на прецизно обработени повърхности като тези на лицевите повърхности на зъбите на предавателни механизми например (Ra » 0,05 – 5,0 микрометра).