Source: http://bru.mogilev.by/students/material/researches/glava15.htm

Методика измерения шероховатости и волнистости

     Общие положения и определения. Поверхность обработанной детали не является идеально ровной и геометрически правильной. Она отличается от номинальной (заданной чертежом) микро- и макрогеометрическими отклонениями. Микрогеометрические отклонения определяют шероховатость поверхности, макрогеометрические - характеризуют волнистость и отклонения формы. Между этими видами погрешностей нет четкого физического различия, однако условно их можно разделить по отношению шага S к значению отклонения D от номинального контура. Неровности, для которых отношение S/D < 40, относят к шероховатости, при 1000 > S/D > 40 - к волнистости, при S/D > 1000 - к отклонениям формы.

        Шероховатость поверхностей регламентируется ГОСТ 2789-73 и соответствующими рекомендациями.

        Шероховатость поверхности при обработке заготовки детали зависит от многих технологических факторов: режимов обработки (скорости резания, подачи); геометрии (переднего и заднего углов), материала и качества поверхности инструмента; механических свойств, химического состава и структуры материала заготовки; состава смазывающе-охлаждающей жидкости; жесткости системы СПИД и др. В то же время шероховатость поверхностей в значительной степени определяет основные эксплуатационные свойства деталей и узлов - износостойкость, сопротивление усталости, надежность посадок, контактную жесткость и теплопроводность стыков сопряженных деталей, коррозионную стойкость, герметичность соединений, отражающую и поглощающую способность поверхностей и др. Поэтому характеристики шероховатости поверхности строго нормируются и подвергаются постоянному анализу в технологических исследованиях и контролю в процессе производства.

         Оценка точности результатов измерений микронеровностей поверхностей производится общепринятыми в метрологии методами. Однако при оценке шероховатости поверхности возникают и некоторые специфические метрологические проблемы.

         Чертежом, как правило, задаются требования к шероховатости всей рабочей поверхности детали. Контроль соблюдения этих требований осуществляется обычно по некоторому числу профилей ограниченной длины. При этом возникают вопросы: какой длины должен быть каждый обследуемый профиль, т.е. участок измерения; сколько должно обследоваться таких участков; какие участки выбирать для измерений, чтобы оценить качество поверхности в целом.

         Оценку шероховатости поверхности можно производить комплексно (путем сравнения с эталонной поверхностью или другими способами) либо поэлементно, измеряя отдельные параметры шероховатости поверхности. Поскольку в технологических исследованиях поэлементная оценка шероховатости более распространена, рассмотрим некоторые из указанных методов.

       Оптические методы измерения шероховатости. Измерение параметров шероховатости оптическими приборами производится бесконтактными методами, среди которых наибольшее распространение получили методы светового сечения, теневого сечения, микроинтерференционные, с применением растров.

Метод светового сечения заключается в следующем: пучок световых лучей, поступающих от источника света через узкую щель 3 (рис.1.1, а) шириной около 0,1 мм, направляется объективом 2 под углом a на контролируемую поверхность 1. Отражаясь от этой поверхности, лучи через объектив 5 переносят изображение щели в плоскость фокуса окуляра 6. Если контролируемая поверхность является идеально ровной, то в окуляре щель будет иметь вид светящейся прямой линии (обычно зеленого цвета). Если на поверхности имеется канавка, то в плоскости окуляра наблюдается искривленная светящаяся линия (рис.1.1, б). При глубине канавки, равной Н, ее световое сечение b=H/sina, размер же светового сечения канавки в плоскости объектива b₁ = bV^x, где V^х— увеличение объектива микроскопа.

Рисунок 1.1 - Схема для определения шероховатости методом светового сечения

         Измерение b₁ осуществляется с помощью окулярного микрометра, перекрестие которого перемещается на угол b=45° и при этом оценивается b₂. Если пучок световых лучей направить на контрольную поверхность под углом a=45°, то b₂ = b₁/sin b=H/(sin a× sin b) × V^x, откуда Н = b₂/(2 V^x).

         Если на расстоянии 0,1 мм от контролируемой поверхности установить линейку 4 со скошенным ребром, то последнее срежет часть пучка света, и на контролируемой поверхности будет видна тень, отбрасываемая линейкой. Верхний край  тени, являющийся как бы лезвием ножа, отражает профиль изучаемой поверхности, который и рассматривают в микроскоп (метод теневого сечения).

         По принципу светового сечения  работают двойной микроскоп МИС-11 и прибор ПСС-2, по принципу теневого сечения  – прибор ПТС-1. Эти приборы позволяют измерять неровности поверхности высотой от 0,8 до 63 мкм при погрешности показаний от 24 до 7,5% при наличии четырех пар сменных объективов ОС-39, ОС-40, ОС-41, ОС-42. Прибор ПСС-2 представляет собой усовершенствованную модель ранее выпускающегося прибора МИС-11. Поле зрения у прибора ПСС-2 при работе со всеми объективами соответствует базовым длинам участков измерений по ГОСТ 2789-73. Оба прибора позволяют определять параметры Rz, Rmax и S, а также фотографировать микронеровности.

         Прибор ПТС-1 применяется для оценки параметров шероховатости грубо обработанных поверхностей с высотой неровностей Rz от 320 до 80 мкм. Прибор накладной, что позволяет контролировать детали без снятия их со станка.

         Микроинтерференционный метод реализуется с помощью приборов МИИ-4, МИИ-5, МИИ-15, МИИ-9, МИИ-10, предназначенных для лабораторных измерений параметров Rz и S и фотографирования микронеровностей чистых поверхностей с Rz = 0,03...1 мкм. Принцип устройства микроинтерферометра В.П. Линника – сочетание интерферометра Майкельсона с измерительным микроскопом, что позволяет в поле зрения микроскопа увеличенное в нужное число раз изображение интерференционной картины и измерять координатным методом вырисовывающиеся неровности с помощью обычного винтового окулярного микрометра. В местах выступов и впадин на исследуемой поверхности интерференционные полосы искривляются. Степень искривления полос и характеризует неровность поверхности.

На рис.1.2 приведена интерферограмма поверхности, сфотографированная на МИИ.  

Рис.1.2 – Схема искривления интерференционных полос

 Каждая интерференционная полоса на ней представляет собой изображение полосы профиля поверхности. Высоты микронеровностей (мкм) определяют путем измерения искривления интерференционной полосы а по отношению к интервалу   полос  b (рис.1.3): R=a/b × l/2=0,275a/b (l - длина световой волны; наиболее часто l=0,55 мкм). В тех случаях, когда необходима определить и шаг неровностей,   его   подсчитывают    по  формуле S=2a tg (a/2), где a - угол профиля, измеряемый при помощи окулярного микровинта.       

Рис.1.3 – Схема для измерения параметров шероховатости по интерферограмме

Идея растрового метода заключается в следующем. Если на испытываемую поверхность наложить стеклянную пластинку, на которую нанесены с малым шагом штрихи (растровая сетка), при наклонном падении лучей отраженная растровая сетка накладывается на штрихи самой сетки и наблюдаются муаровые полосы. На основе этого явления предложена методика измерения высот не­ровностей поверхностей с помощью растрового микроскопа. Растровый измерительный микроскоп ОРИМ-1 предназначен для измерения высоты неровностей (от 0,4 до 40 мкм) наружных поверхностей деталей со следами обработки, имеющими определенное преимущественное направление.

     При оценке шероховатости поверхностей сложной формы и в случае трудного доступа к исследуемой поверхности применяют так называемый метод слепков, заключающийся в снятии копий (как правило, «негативных») поверхностей для последующего измерения по ним высоты неровностей. Неровности на слепках можно измерять как с помощью оптических, так и щуповых приборов. В частности, для этого используют приборы МИС-11, ПСС-2, электромеханические профилографы-профилометры. Материалы для изготовления слепков – легкоплавкие сплавы; воск; целлулоид; гипс; масляная гуттаперча; парафин; кинопленка, растворенная в ацетоне, и др. Наилучшим из них является масляно-гуттаперчевая масса.

        Щуповой метод измерения параметров шероховатости. При щуповом (контактном) методе измерения неровностей поверхности в качестве щупа используют остро заточенную иглу, поступательно перемещающуюся по определенной трассе относительно поверхности. Ось иглы располагают по нормали к поверхности. Опускаясь во впадины, а затем поднимаясь на выступы во время движения ощупывающей головки по испытуемой поверхности, игла колеблется относительно головки соответственно огибаемому профилю. Механические колебания иглы преобразуются, как правило, в электрические при помощи электромеханического преобразователя того или иного типа. Снятый с преобразователя полезный сигнал усиливают, а затем измеряют его параметры, характеризующие неровности исследуемой поверхности (профилометрирование), или записывают параметры профиля поверхности в заранее выбранных вертикальном и горизонтальном масштабах (профилографирование).

       Щуповые электромеханические приборы, предназначенные для измерений параметров шероховатости поверхности, называют профилометрами, а такие же приборы для записи неровностей поверхности - профилографами. Профило-графы позволяют не только записывать профиль поверхности, но и измерять параметры шероховатости. Поэтому их называют профилографами-профилометрами.

         В щуповых приборах для измерения параметров шероховатости поверхности применяются индукционные, индуктивные, электронные и пьезоэлектрические преобразователя механических колебаний иглы в электрические сигналы.

         Ранее в электромеханических щуповых приборах использовались индукционные преобразователи, в витках катушки которых наводилась электродвижущая сила при перемещении в поле постоянного магнита катушки под действием измерительной иглы (в США - прибор Аббота, в СССР - КВ-7). Теперь преимущественное распространение получили индуктивные преобразователи (приборы моделей 201, 202, 240 и 252 в СССР, «Телисурф-4», «Телисурф-10» в Англии, «Перт-о-метр-34В» в ФРГ, «Профикордер» в США и др.).

Рис.1.4 – Электрическая схема профилометра-профилографа мод. 201

                Принцип действия индуктивного преобразователя рассмотрим на примере профилографа-профилометра модели 201. Электрическая часть прибора (рис.1.4) включает в себя электронный блок 7, показывающий 8 и записывающий 9 приборы. Магнитная система датчика представляет сердечник 2 с двумя катушками 1. Катушка датчика и две половины первичной обмотки дифференциального входного трансформатора 6 образуют балансный мост, который питается от генератора звуковой частоты 5. При перемещении датчика относительно исследуемой поверхности алмазная игла 4, ощупывая неровности поверхности, приводит в колебательное движение коромысло 3. При этом меняются воздушные зазоры между якорем и сердечником, а следовательно, и напряжение на выходе дифференциального трансформатора. Оно усиливается электронным блоком 7, на выходе которого подключены записывающий или показывающий приборы.

         Электронный механотронный преобразователь представляет собой электронную лампу с подвижным электродом (обычно анодом), на выведенном из баллона конце которого укреплена ощупывающая исследуемую поверхность игла.

         В ряде конструкций щуповых приборов («Брюэль и Кьер» в Дании, «Филлипс» в Голландии, «Тейлор-Гобсон-105» в Англии, «Швистул» в Швейцарии, «Хоммель-Тестер-Р» в ФРГ, «Сурфком-1» в Японии, ДБ-1 в СССР и др.) применяются пьезоэлектрические преобразователи. Пьезо-преобразователь выполняют в виде элемента, склеенного из двух пластин пьезоэлектрика (титанат бария, титанат циркония, сегнетова соль и др.) и имеющего на конце иглу. Нормальные к исследуемой поверхности смещения иглы вызывают деформацию элемента, а вследствие асимметрии кристаллической структуры пьезоэлектрика - пропорциональное этой деформации напряжение на выходе преобразователя.

         Точность, размеры и технические условия эксплуатации профилографов-профилометров регламентированы ГОСТ 19299 -73 и ГОСТ 19300 - 73. Проверяются профилографы согласно ГОСТ 8.241 - 77 и ГОСТ 8.242 - 77.

         В настоящее время в технологических лабораториях чаще всего используются профилографы-профилометры блочной конструкции (модели 201). Прибор имеет малое измерительное усилие (не более 1 мН при градиенте усилия до 5 мкН/мкм), благодаря чему можно измерять параметры шероховатости деталей с покрытиями без их повреждения, деталей из цветных металлов, пластмасс и других неметаллических материалов. Прибор оценивает параметр шероховатости Ra в пределах от 0,04 до 8 мкм на базовых длинах от 0,08 до 2,5 мм и записывает профиль с высотой неровностей от 0,05 до 20 мкм на прямолинейных трассах поверхностей (плоскостей, образующих цилиндров, конусов и т.п.). Погрешность показаний прибора не превышает ±10%, а погрешность записи - ±4%. Он позволяет произвести запись профиля плоской и цилиндрической поверхностей вдоль образующей на длине до 40 мм; в отверстиях диаметром 8...20 мм - на глубине до 10 мм, а в отверстиях диаметром 20...45 мм - до 100 мм. Прибор снабжается приспособлением для записи волнистости поверхности. По профилограммам, записываемым на электротермической бумаге шириной 80 мм, можно определить все нормируемые ГОСТ 2789-73 параметры шероховатости поверхности указанных поверхностей.

         Профилограф-профилометр модели 202 более универсален. Этот прибор укомплектован специальными устройствами, позволяющими записывать профиль и измерять параметр Ra и на криволинейных поверхностях с радиусом не менее 50 мм, шариках и роликах диаметром 1...25 мм, зубьях зубчатых колес, в малых отверстиях диаметром не менее 3 мм на глубине до 5 мм.

         Профилограф-профилометр модели 252 с цифровой индикацией результатов предназначен для измерения параметров шероховатости Ra (от 0,02 до 100 мкм), Н_max и Н_min (от 0,1 до 100 мкм), t_p (90 - 100%), числа шагов К_р (до 1000) и для записи профиля на прямолинейных трассах поверхностей. Наименьший диаметр проверяемого отверстия составляет 3 мм при глубине до 5 мм.

         Профилометр модели 240 - переносной прибор для оценки шероховатости поверхностей по параметру Ra (2,5...0,025 мкм) в цеховых условиях.

         Портативный профилометр модели 253 предназначен для измерения параметра Ra в цеховых условиях. Диапазон измерения Ra - от 0,04...2,5 мкм на базовой длине 0,25; 0,8; 2,5 мм.  В  приборе использован механотронный преобразователь.

         Разработана модель портативного переносного щупового прибора с индуктивным преобразователем. Прибор используется для измерения стандартных параметров шероховатости и записи профиля поверхности. Диапазон измерения высоты микронеровностей - 0,5...400 мкм, базовые длины - 0,08...25 мм, длины трасс ощупывания - 3...100 мм, скорости трассирования - 3, 10, 30, 50, 100 мм/мин.

         Промышленностью выпускаются щуповые приборы специального назначения, в частности для измерения параметров шероховатости поверхностей колец подшипников (модель 261 и др.).

         К наиболее распространенным зарубежным профилографам-профилометрам принадлежат приборы «Телисурф» (Англия), «Перт-о-метр», «Перт-о-граф» (ФРГ), «Профикордер», профилометр фирмы Бендикс (США) и др.