Измерване на кръглост

С постоянно нарастващия стремеж към все по-висока производителност и енергийна ефективност толерансите и хлабините за изработваните детайли намаляват. Вече не е достатъчно частите просто да се асемблират, за да се определи пригодността им. Необходимо е да се извършват измервания по време на целия производствен процес, като резултатите от тях следва да са в основата на оптимизацията на дейностите, така че да се изработват качествени детайли с висока разходна ефективност.

Докато задвижващите валове в корабостроенето и турбините за електроцентрали могат да имат лагери с диаметър от 1 или повече метра, за повечето детайли стойностите варират между 5 и 200 mm. Най-малките сачмени лагери имат търкалящи елементи с диаметър под 0,5 mm.

Типичното отклонение от кръглостта на автомобилни лагерни шийки е около 5 mm. В средния обхват на точност по отношение на кръглостта са компоненти като впръсквателни дюзи за гориво и лагери за общи цели, при които са характерни толеранси между 0,25 и 0,5 mm. Като пример за свръхвисока прецизност може да се посочи сондата на НАСА Gravity Probe B, която има механични жироскопи със сфери, за които се твърди, че са “най-перфектно” сферичните произвеждани някога. Те са с диаметър около 100 mm, а максималното отклонение от кръглостта е 7 nm.

Основните причини за измерване на кръглост са две – отделяне на несъответстващите на изискванията на клиента детайли и контролиране на производственото оборудване с незабавна обратна връзка. Отклонението от кръглостта може да окаже влияние върху задържането и разхода на масло, изтичането на гориво, прекомерните вибрации, триенето и други ключови функции на крайната сглобка.

Повечето детайли, измервани за кръглост, се изработват на шлифовъчни машини. Независимо дали се прилага центрово или безцентрово шлифоване, са налице редица променливи, изискващи непрекъснат мониторинг. Идеален пример за постоянно изменящ се процес на механична обработка е безцентровото шлифоване. Резултатите от измерването на кръглост ще насочат директно към променливите на металообработващата машина, които се нуждаят от непрекъснато регулиране.

Същност

Много детайли съдържат елементи, които са “кръгли” в напречно сечение, най-простите от които са валове и отвори. Такива геометрии са широко разпространени. В случай че и двата компонента са “кръгли” и сглобката не е твърде плътна или хлабава, валът ще функционира безпроблемно, особено ако се смазва. Това обаче не е достатъчно, за да се твърди, че комбинацията от вал и лагер ще работи задоволително дори при тежки натоварвания и в продължение на много години, както и че употребата на смазочното вещество е ефективна. Определянето на тези фактори зависи от същността на понятието за кръглост. Един лагер или вал може да изглеждат привидно кръгли и дори да са с константен диаметър при измерване с микрометър, но при по-обстойно обследване на формата на детайлите могат да се забележат различни отклонения. При наличие на изпъкналости например е ясно, че те ще поемат най-голямото натоварване от вала в плъзгащ лагер. Дебелината на смазочния филм трябва да се поддържа в определени граници, за да функционира, както е предвидено. При наличие на издатини обаче дебелината на масления филм между тях ще бъде значително по-голяма. Аналогично, отворът на един лагер може да не е наистина кръгъл и да е с леко елипсовидна форма, като резултатите ще са същите.

При всички случаи комбинацията вал/лагер няма да функционира толкова ефективно, колкото е предвидено от проектанта.

Много често се смята, че е достатъчно да се измери диаметърът на детайла в няколко точки, като разликата в отчетените резултати се приема за отклонението от кръглостта. Този подход обаче не е правилен. Ако се разгледа например тристранен детайл със заоблени върхове и диаметър от точно 25 mm, той няма да може да пасне на отвор със същия диаметър поради отклонението от кръглостта. В конкретния случай най-малкият кръгъл отвор, който ще пасне на този детайл е с диаметър от 28,9 mm. Аналогично, тристранен отвор със заоблени върхове и диаметър от 25 mm няма да пасне на действително кръгъл вал със същия диаметър. Най-големият вал, който ще може да се постави в този отвор, би бил с диаметър 21,1 mm. По този начин ефективният размер на тези два елемента е 28,9 mm за вала и 21,1 mm за отвора, въпреки че и двата са с измерен диаметър от 25 мм. Подобни разлики между измерения и ефективния размер са характерни за всички детайли с нечетен брой заоблени върхове. Това означава, че формата (т. е. кръглостта) на детайла може да окаже влияние върху размера му при измерване по конвенционалния начин.

Измерване с V-образен блок

Както стана ясно, използването на диаметъра има значителни недостатъци за определянето на отклонението от кръглостта, което винаги се оценява независимо от размера. Най-простият метод за измерване на кръглост включва поставянето на детайла във V-образен блок и ротирането му в контакт с индикаторен часовник или подобен уред. Детайлът се завърта бавно на ръка, като през цялото време на измерване трябва да се следи дали детайлът лежи и на двете рамена на V-образния блок. Ако частта е действително кръгла с пренебрежими неравности, стрелката на индикаторния часовник няма да помръдне. Ако обаче детайлът е с отклонения от кръглостта, неравностите ще доведат до движението му нагоре и надолу при контакта с рамената на V-образния блок. В допълнение, неравностите ще изместят и измервателното краче на индикаторния часовник при преминаването си под него.

Движението на стрелката ще бъде най-съществено, когато издатини или вдлъбнатини влязат в контакт едновременно с измервателното краче и рамената на V-образния блок, и ще бъде най-незначително, когато под измервателното краче има вдлъбнатина, а рамената на блока са в контакт с издатини, и обратно. Изместването на стрелката на индикаторния часовник ще зависи не само от височината на неравностите, но и от тяхното ъглово отстояние и ъгъла на V-образния блок.

Описаният метод за измерване на кръглост може да бъде приложен по няколко начина. При големи детайли индикаторният часовник може да бъде монтиран в рамка, която се движи около частта. Подобна установка може да се използва и при проверка на кръглостта на големи отвори. При измерване на дълги валове може да се наложи използването на два V-образни блока, като индикаторният часовник се позиционира между тях. В този случай обаче отчитанията могат да се повлияят от фактори като огъване и липса на праволинейност на вала.

Както и да се прилага методът, той винаги се характеризира с ограничението, че резултатите могат да варират в зависимост от ъгъла на блока и отстоянията между неравностите. Също така, се създава погрешна представа, когато неравностите са на еднакво отстояние, тъй като всяка от тях оказва влияние върху индикаторния часовник три пъти при въртенето на детайла – един път, когато неравността премине под измервателното краче и един път, когато влезе в контакт с всяко от рамената на V-образния блок. Независимо от това, методът е прост и резултатите, въпреки че не са достатъчно информативни, се приемат за достатъчно доказателство, че детайлът е задоволително кръгъл за предназначението си, при положение че кръглостта не е от твърде критично значение. Разбира се, механичният индикаторен часовник може да бъде заменен с електронен, но цялата установка е обект на същите ограничения.

Координатни измервателни машини

Друг метод, който се смята за приемлив, е използването на координатна измервателна машина. Стандартните уреди от този вид разполагат с 3 точни ортогонални оси и са оборудвани с измервателни глави тип “тригер” (touch-trigger probе). Те влизат в контакт с измервания компонент и записват позицията му. Тези измервателни системи са изключително универсални и често се използват за определяне и анализиране на множество размерни и геометрични взаимовръзки на детайлите. Въпреки че тези устройства работят добре при обикновено геометрично охарактеризиране на даден детайл, ограниченията им при определяне на параметри като кръглост и цилиндричност често се пренебрегват. Повечето производители на координатни измервателни машини препоръчват измерване в минимум 7 точки за оценяване на кръглостта. Това ще гарантира, че центърът е изчислен с много по-голяма точност, но все пак подобрението на точността на оценката на кръглостта ще е незначително.

Един от основните проблеми при този метод е липсата на представителен брой точки на измерване. Типично, анализът на кръглостта включва над 2000 точки на измерване, а използването на толкова точки на координатна измервателна машина с конвенционална глава би отнело много време. Разбира се, координатните машини със сканираща измервателна глава могат да изпълнят подобна задача много по-бързо.

Другият съществен недостатък на използването на координатна измервателна машина е, че всяка измервателна точка се характеризира с неопределеност на позицията в пространството. Поради тази причина, дори при наличието на много измервателни точки, неопределеността на резултата за кръглост, определен с координатна измервателна машина, е относително висока в сравнение с метода с ротационна базова ос. С координатните измервателни машини обаче може да се определи абсолютният диаметър, докато при ротационния метод се измерва само отклонението от кръглостта.

Резултатите за кръглост, получени чрез методите с V-образен блок и координатна измервателна машина, не трябва да се приемат за високоточни. Затова приложението на тези две техники е ограничено до детайли, при които толерансът за отклонение от кръглостта е 10 или повече микрона.

Метод с ротационна базова ос

Най-точният метод за определяне на кръглостта на един детайл включва измерване на изменението на радиуса спрямо точна ротационна базова ос чрез сканираща измервателна глава, която остава в контакт с повърхността на компонента и събира данни от множество точки. Впоследствие през измервателните точки се прокарва окръжност и кръглостта се изчислява спрямо центъра на детайла.

Предлагат се множество специализирани инструменти за измерване на кръглост. Най-често срещаната конфигурация е система, включваща въртяща маса, върху която се поставя детайлът. Измервателно устройство се инсталира на радиална ръка, която може да бъде регулирана така, че да се постигне контакт с повърхността на детайла. Самата ръка е монтирана на колона, позволяваща настройване на височината на измервателната равнина.

Линейните оси на тези инструменти често са моторизирани и се характеризират с висока точност на формата, позволявайки измерването и на други параметри като плоскост, праволинейност и цилиндричност.

Видове измервателни уреди

Уредите за измерване на кръглост са два основни вида – с въртящ се детайл или с въртящ се измервателен преобразувател. При първия тип детайлът се върти около неподвижен измервателен преобразувател, а при втория детайлът е неподвижен и измервателният преобразувател се върти около него. Всеки от видовете има своите предимства и е подходящ за определени типове измервания. Изборът на инструмент трябва да се основава до голяма степен на предвидените измервания и размера и формата на детайлите, които ще се мерят.

Оборудването за измерване на кръглост, цилиндричност и форма мери тези параметри с амплитуди често под 1 микрометър и със субмикронна точност. Мястото на инсталиране на уреда е ключов фактор за постигането на висока прецизност, тъй като той е чувствителен на околни влияния като температурни вариации и вибрации.
Производителите полагат големи усилия за проектирането на измервателни уреди, които да са възможно най-толерантни към условията на работната среда. В някои случаи може да се постигне отличен имунитет към някои фактори на околната среда, но не към всички. Добра практика е, независимо от дизайна на измервателния уред, той да бъде инсталиран на място, свеждащо до минимум въздействието на факторите на работната среда като източници на грешка в измерванията.