Бесконтактный способ измерения шероховатости

Способы и методы измерения шероховатости поверхности.

Любая, обработанная даже тщательнейшим образом поверхность детали, не может быть полностью идеально ровной. Значение гладкости и ровности поверхности детали в любом случае будет отличаться от заданного чертежом значения, т.е. от номинального значения. При этом, отклонение может быть либо макрогеометрическим, либо микрогеометрическим. Макро геометрические отклонения могут быть охарактеризованы волнистостью детали и несоответствием форме. Микрогеометрические отклонения, в свою очередь, определяются не чем иным, кроме шероховатости поверхности.

Шерховатость — это совокупность микронеровностей появляющихся на поверхностях готовых изделий или деталей. При этом, шаг неровности, принимаемый в качестве шероховатости, должен быть очень мал, относительно базовой длины всей поверхности.

Вообще, принято выделять три вида шероховатости объекта:

— Исходная шероховатость — возникающая в результате технологической обработки изделия различными абразивами.

— Эксплуатационная шероховатость — это приобретаемая в процессе эксплуатации шероховатость в результате износа и рабочего трения.

— Равновесная шероховатость — это вид эксплуатационной шероховатости, который можно воспроизвести в стационарных условиях трения.

Параметры шероховатости определены в ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения». Согласно этому документу, выделяют такие показатели шероховатости, как:

• Ra — это среднее арифметическое значение отклонения профиля.
• Rz — это высота неровностей профиля, снятая в 10 точках.
• S — это средний шаг местных выступов профиля;
• Sm — это среднее арифметическое значение шага неровности;
• Rmax — это максимальная высота профиля;
• tp — это относительная длина профиля (опорная), р — это уровень сечения профиля.

При задании шероховатости, как правило, используется параметр ср. арифм-го. отклонения профиля (Ra).

Стоит отметить, что именно шероховатость, оказывает наиболее сильное влияние на эксплуатационные характеристики двигателей машин, а также деталей и узлов различного оборудования. Возможно, именно поэтому, точное определение значения шероховатости — одна из самых важных задач метрологии.

Оценка шероховатости может производиться двумя способами:

Наиболее точным, на момент написания статьи, является поэлементный способ, который может быть осуществлен различными методами определения шероховатости:

1) Щуповой метод измерения шероховатости поверхности — это контактный метод, измерения при котором производятся при помощи профилометра. Профилометр представляет собой чувствительный датчик, оборудованный тонкой, остро заточенной алмазной иглой, с так называемой, ощупывающей головкой.

Алмазная игла прижимается и перемещается параллельно исследуемой поверхности. В местах возникновения микронеровностей (выступов и впадин), возникают механические колебания измерительной головки иглы. Эти колебания передаются в датчик, преобразующий механическую энергию колебания в электрический сигнал, который усиливается преобразователем и измеряется. Записанные параметры этого сигнала в точности повторяют неровности на шероховатой поверхности детали.

Профилометры, по признаку типа преобразователя сигналов, разделяют на пьезоэлектрические, электронные, индукционные и индуктивные. Наиболее распространены приборы, использующие индуктивные преобразователи.

В качестве примера профилометра можно привести приборы моделей «СЕЙТРОНИК-ПШ8» (модели СЕЙТРОНИК-ПШ8-1, СЕЙТРОНИК-ПШ8-2, СЕЙТРОНИК-ПШ8-3 и СЕЙТРОНИК-ПШ8-4) а также старый-добрый «профилометр модели 130».

Помимо профилометров существуют также профилографы, которые позволяют не просто измерить, но и записать параметры шероховатого профиля в заранее выбранном масштабе.

Исследование поверхностней щуповым методом производится в несколько этапов: так, сначала профиль исследуемого объекта «ощупывается» несколько раз, а только затем, на основании серии измерений вычисляется усредненное значение параметра, характеризующегося как количественное выражение неровности относительно длины участка.

Профилограф — профилометр СЕЙТРОНИК-ПШ8-1

2) Оптический метод — это бесконтактный метод измерения шероховатости, который состоит из целой группы методов. Самые распространенные из них — это:

— метод светового свечения и теневой метод,

Итак, растровый метод предполагает следующую последовательность действий: на исследуемую поверхность кладется стеклянная пластинка, с нанесенной на неё растровой сеткой (т.е. системой равноудаленных параллельных линий), с маленьким шагом. Затем, на пластинку подаются световые лучи под наклоном. При падении световых лучей под наклоном в местах микроскопических неровностей, штрихи отраженной растровой сетки накладываются на штрихи реально нарисованной сетки, в результате чего возникают муаровые полосы, которые и свидетельствуют о наличии выступов или впадин на поверхности изучаемого объекта. При помощи растрового микроскопа и определяют параметры неровности. Точную методику определения параметров можно посмотреть в соответствующем ГОСТе. Отметим, что растровый метод применим для обследования поверхностей, следы неровностей на которых имеют преимущественно одинаковое направление (например, царапины в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания).

Метод светового и теневого свечения — это наиболее часто применяемые методы измерения параметров неровностей. Метод светового свечения сводится к тому, что: световой поток от источника света, проходя сквозь узкую щель, превращается в тонкий, узкий пучок. Затем, при помощи объектива, он направляется на исследуемую поверхность под определенным углом. Отражаясь, луч опять проходит через объектив и формирует изображение щели в окуляре. При этом, абсолютно ровная поверхность будет иметь идеально прямой световой пучок (линия), а шероховатая поверхность — искривленный.

Теневой метод — это усовершенствованный и продолженный метод светового свечения. Состоит он в том, что: недалеко от изучаемой поверхности приспосабливается линейка со скошенным ребром. Пучок света преодолевает тоже самое расстояние, однако, будто ножом, срезается ребром линейки. При этом, на измеряемой поверхности можно наблюдать тень, верхняя часть которой в точности повторяет изучаемый профиль. При помощи микроскопа, такое изображение рассматривают, анализируют и делают выводы о параметрах и характере шероховатости.

Микроинтерференционный метод — реализуется при помощи специального измерительного прибора, который состоит из измерительного микроскопа и интерферометра. Используя интерферометр, получают интерференционную картину поверхности исследуемого объекта с искривлениями полос в местах неровностей. Параметры шероховатости измеряют, затем, при помощи микроскопа.

Также, следует выделить отдельно метод слепков, который применяется для оценки шероховатости различных труднодоступных поверхностей, а также поверхностей, обладающих сложным строением. Метод слепков, представляет собой снятие негативных копий поверхности при помощи воска, парафина или гипса, а также последующее их изучение щуповым или оптическим методом. Таким образом, метод слепков — это не самостоятельный метод, а лишь метод связанный с подготовкой к измерению. Он применим только совместно с одним из способов измерения шероховатости.

Источник

Бесконтактные средства измерения шероховатости

Для количественной оценки шероховатости поверхности бесконтактным методом в основном используют оптические средства измерения. При этом применяют в принципе два способа оценки поверхностных неровностей: получением увеличенного изображения неровности с помощью оптической системы или использованием отражательных способностей обработанной поверхности.

7.1.1. Приборы светового сечения — принцип действия заключается в получении увеличенного изображения профиля измеряемой поверхности с помощью лучей, направленных наклонно к измеряемой поверхности и измерения высоты неровностей в получаемом изображении.

а) Двойной микроскоп — щель 3 (рисунок 7.1.1 а), освещенная с помощью конденсора 2 лампой /, проектируется микрообъективом 4 на поверхность измеряемой детали 5 (ширина щели 0,1, длина 7 мм). В тех местах, где на поверхности детали имеются неровности, изображение щели искривляется, образуя световое сечение профиля под углом к поверхности 5. Изображения щели в увеличенном виде рассматривается в микроскоп, состоящий из объектива 6 и винтового окулярного микроскопа 7. Величина искривления изображения щели Н пропорциональна высоте неровности h и связана с ней соотношением , где — увеличение микрообъектива; — угол наклона наблюдательного микроскопа.

Обычно оптические оси осветительного и наблюдательного микроскопов расположены под углом 45° к вертикали и тогда Значение H измеряют с помощью винтового окулярного микрометра. В двойных микроскопах (МИС-11) относительно небольшой диаметр поля зрения — от 0,3 до 1,8 мм в зависимости от используемых объективов. Прибор предназначен для измерения относительно больших неровностей от 0,8 до 63 мкм для нахождения критериев R_: или R_max.

Поверку двойных микроскопов в отношении точности производят с помощью, так называемой одноштриховой меры, которая представляет собой пластину с доведенной поверхностью, на которой нанесена риска V-образной формы. Поверка заключается в измерении прибором глубины риски на мере и сравнении полученного значения с аттестатом на меру.

б) Прибор теневого сечения — принцип действия прибора основан на измерении высоты неровности по искривлениям тени на неровностях. Свет от источника S (рисунок 7.1.1 б) освещает щель С, которая проектируется объективом О на измеряемую поверхность PP. К этой поверхности под углом 60° к оптической оси микроскопа прикладывается нож К. Тень, создаваемая ножом, искривляется на поверхностных неровностях и рассматривается в микроскоп О₁О₂

Приборы теневого сечения являются накладными и предназначены для измерения относительно больших поверхностных неровностей — от 0,04 до 1,6 мм. С помощью этих приборов обычно определяют параметры R- и R_max.

Рисунок 7.1.1 – Схемы оптических приборов для измерения шероховатости: а – двойной микроскоп; б – прибор теневого сечения; в- микроинтерферометр МИИ-4

7.1.2. Микроинтерферометры — называют интерферометры, предназначенные для измерения поверхностных неровностей. Принцип действия микроинтерферометра такой же, как и обычного интерферометра, и отличается только тем, что в качестве одной из поверхностей, которая создает интерференционную картину, используется измеряемая поверхность. Наиболее типичным является прибор МИИ-4 (рисунок 7.1.1 в)

Нить лампы 1 проектируется конденсором 2 в плоскость диафрагмы 3 (диаметр ее от 0,5 до 5 мм). Диафрагма, расположенная в передней фокальной плоскости проекционного объектива 4, изображается им в бесконечность. Параллельный пучок лучей на выходе из объектива 4 попадает на разделительную пластину 5, на одной из сторон которой нанесен полупрозрачный слой алюминия. Разделительная пластина 5 делит падающий на нее пучок света на два. Пучок, отраженный от пластины 5, попадает в объектив 7 и собирается в его фокусе на измеряемой поверхности. После отражения от этой поверхности пучок света идет в обратном направлении, проходит объектив 7, пластину 5 и собирается в фокальной плоскости объектива 10. Второй пучок света, пройдя разделительную пластину 5, попадает на пластину 6, объектив 8 и на зеркало 9. Отразившись от зеркала, пучок света идет в обратном направлении и, отразившись вновь от пластины 5, так же, как и лучи первой ветви, собирается в фокальной плоскости объектива 10. После разделительной пластины 5 лучи обеих ветвей интерферируют между собой, образуя резкое изображение интерференционных полос. Объектив 10 переносит изображение интерференционных полос в свою фокальную плоскость, которая рассматривается с помощью окуляра.

В поле зрения окуляра 15 видна измеряемая поверхность и интерференционные полосы, которые искривлены, если поверхность имеет неровность. Эта картина может быть сфотографирована, для чего зеркало 11 выключается, и лучи света, пройдя через окуляр 12 и отразившись от зеркала 13, попадают на поверхность матового стекла или фотопленки 14.

Величину неровности определяют по формуле

где а — величина искривления интерференционных полос;

b — ширина полосы.

При использовании белого света , значения а и b обычно

измеряют с помощью окулярного микрометра.

Диапазон измерения прибора находится в пределах от 0,03 до 1 мкм (МИИ-4) и оценивается по параметрам R. или R_max.

Погрешность измерения в основном зависит от точности определения значений отношения а/Ъ. При измерении с помощью окулярного микрометра погрешность измерения составляет не более 0,015 мкм, при оценке этого соотношения «на глаз» погрешность измерения — не более 0,03 мкм.

Имеется еще несколько микроинтерферометров, отличающихся конструктивной схемой, а некоторые — и возможностями измерений. Так, для расширения диапазона измерений поверхностных неровностей изготовляют иммерсионно-репликовый интерферометр (МИИ-10). Принцип измерения относительно больших неровностей заключается в том, что с измеряемой поверхности снимают отпечаток — реплику, которую рассматривают потом с помощью интерферометра. Для получения отпечатка используют кинопленку (нитроцеллюлозную), которую смачивают ацетоном и прижимают к измеряемой поверхности. Полученный отпечаток помещают в камеру, заполненную жидкостью (иммерсионная жидкость), установленную в одну из ветвей микроинтерферометра, и измеряют неровность как на микроинтерферометре. На приборе с помощью реплик можно измерять поверхности любого коэффициента отражения. Диапазон измерения на приборе от 0,1 до 10 мкм.

Рассмотренные приборы не исчерпывают номенклатуры бесконтактных измерительных средств, основанных на оптическом принципе действия.

Источник