poglavje merjenje hrapavosti -...
Post on 24-Sep-2019
25 Views
Preview:
TRANSCRIPT
MERJENJE HRAPAVOSTI poglavje
metrologija
površine
• relevantnost področja
• mehanizem nastanka površine
• merilne metode in naprave
• parametri hrapavosti
• vprašanja za test
Če v pogovoru govorimo o merjenju izdelkov, imamo ponavadi v mislih ugotavljanje ali so mere izdelka v skladu z merami, kot so širina, dolžina ali premer, to so parametri makrogeometrije predmeta. Seveda je makrogeometrija predmeta predpogoj, da bomo mehanski sklop lahko sestavili in da bo sklop deloval, vendar pa njegovo polno funkcionalnost določa še mikro-geometrija oz. še širše – integriteta površine.
merjenje hrapavosti
http://lab.fs.uni-lj.si/lat/uploads/metrologija/hrapavost.pdf
www.fs.uni-lj.si/lat/ -> izobraževanje -> metrologija ->
predavanja -> meritve hrapavosti
pravilo palca: če želimo povečati življensko dobo izdelka za faktor dva, moramo integriteto površine izboljšati za faktor deset
[Shaw, Metal Cutting Principles]
relavantnost področja
Integriteta površine zmogljivost, življenska doba in zanesljivost [Michael Field, Metcut research, 1973]
topografija površine
materialne lastnosti površine: - neločljivo povezane z izbiro materiala - spremembe zaradi obdelave materiala
Mnenje, da je dobro, da je površina čimbolj gladka, je zmotno, včasih celo nevarno, pa še z večanjem stroškov izdelave je povezano.
[po Whitehouse, 2000]
integriteta površine
značilnosti topografije napake tekstura oblika valovitost hrapavost
značilnosti materialnih lastnosti plastična deformacija zaostale napetosti mikro in makro razpoke trdota površinske plasti fazne spremembe rekristalizacija korozija med zrni krhkost zaradi izpostavitve vodiku
profil
oblika
valovitost
hrapavost
napaka prerez
nominalna
površina
Vezavna energija atoma v primeru preprostega kubičnega kristala. V tem modelu ima atom znotraj materiala 6 vezi z energijo f . Sublimacijska energija na enoto volumna v kristalu je L = (6 f /2)(1/a3) (polovička je zato, da ne bi šteli vezi po dvakrat). Atomi, ki so na ravnih odsekih površine, imajo eno vez manj, pribitek energije glede na atome v materialu je f / 2a2 ; atomi ki so na skoku imajo še dodatno pribitek f / 2 glede na atome na "terasi".
ZAKAJ SO POVRŠINE NEKAJ POSEBNEGA?
[JOHN A. VENABLES, Introduction to Surface and Thin Film Processes] a
vpliv topografije površine na funkcionalnost izdelkov
Hrapavost in tekstura ključno vplivata na: 1. delovanje naprave 2. kvaliteto izdelka 3. prileganje sestavnih delov 4. zamenljivost komponent 5. mazljivost 6. obrabo 7. korozijo 8. utrujanje 9. hrup 10. trenje 11. videz
površina z vidika proizvodnje površina z vidika funkcionalnosti
dvojni vidik merjenja hrapavosti površin
meritev površine
funkcionalnost površine
obdelava izdelka
orodje
proces vidna obraba, estetski izgled
trenje,obraba
površine
funkcionalnost
kakovost konstrukcije
absolutna vrednost parametra hrapavosti
proces izdelave
kakovost skladnosti
spreminjanje parametra hrapavosti
nadzor procesa napoved funkcionalnosti
[povzeto po: Whitehouse, Surface Characterisation and Roughness Measurement in Engineering, 2000]
mehanizmi nastanka topografije – primer obdelava z AVC I/II
50 mm
abr. zrno
odvzeti vol.
mehanizmi nastanka topografije – primer obdelava z AVC I/II
REZULTATI SIMULACIJE
Potočnik P., Grabec I.: Nonlinear model predictive control of a cutting process; Neurocomputing (2002). mehanizmi nastanka topografije - struženje
Ayoub Shirvani, An investigation into the design for vibration damping of extended length tool holders, University of Warwick, (1995)
koncept nastanka površine na osnovi enotskega dogodka
David J. Whitehouse, Surface Characterization and Roughness Measurement in Engineering, in Topics in Applied Physics Photomechanics Editor: P. K. Rastogi
enotski dogodek zaradi delovanja ostrega zrna
profil površine
primer: proces brušenja struženo
enotski dogodek zaradi delovanja ostrega zrna
profil površine
površina nastane kot konvolucija oblike enotskega dogodka s porazdelitvijo dogodkov po površini
brušeno
brušenje + honanje
vibracijsko valjanje
vibracijsko valjanje
Zobnik mikrofluidnega senzorja izelan iz safirja Z laserjem z l=355 nm in t=15 ns laserjem. [Lambda Physik USA, Inc.]
Pomen hrapavosti se v domeni mikro-obdelave še povečuje. Hrapavost, ki jo poznamo iz grobe obdelave pri konvencionalnih tehnologijah je v razredu značilnih dimenzij mikroizdelka. primer: grobo odrezana površina 10 mm jekla z laserjem ima lahko hrapavost tudi do 100 mm.
Femto-sekundni laser Ti-safir: pulz 120 fs a) v zraku, b) v vakuumu in c) primerjava z Nd:YAG laserjem l=1,06 mm; dožina pulza 100 ns, P=50mW, 2kHz. [Sandia National Laboratory]
pri mikro-izdelkih se pomen hrapavosti povečuje
Taktilne normale za primerjanje hrapavosti
merilne metode in naprave
svetloba odkrije podrobnosti tipično opazovanje površine en.wikipedia.org/wiki/Sailing_stones
SA: zrcalni kot (specular angle) PA: VRH (peak angle) = kot pri katerem
opazimo maksimalni odbiti svetlobni tok
hrapava površina
merilne metode in naprave
koračni motor
prenos redukcija obratov zaradi natančnejšega pozicioniranja
procesiranje osvetlitev
kamera
vzorec
shematično prikazan svetlobni rez Schmaltzev merilnik
Pot žarkov v merilniku
Slika, zajeta s kamero
merjenje profila površine s svetlobnim rezom
merjenje profila površine s profilometrom
Tomlinsonov merilnik hrapavosti
Princip delovanja kontaktnega merilnika hrapavosti: ročica (1) drži tipalo (2), ki drsi vzdolž smeri (3) nad površino merjenca (5). Tipalo se giblje v smeri (4) skladno s površino po kateri potuje. Vertikalni položaj tipala predstavlja profil hrapavosti (6), kot je narisano z zeleno črto.
merjenje profila površine s profilometrom: delovanje
tipalo (2):
piramida stožec
tipična izvedba ima radij 2 mm in kot 60o
tipalo lahko naredimo bolj konično, vendar bo zato bolj podvrženo obrabi in še interakciji z merjencem!
izvedbe profilometrov
izvor zaslon detektor konzolni
pretvornik
pot sredine radija tipala
vzmet
pretvornik / transducer
tipalo dušilka
merjena površina
izvedbe profilometrov
čeveljc tipalo pivot
"Form Talysurf" ima zaradi kombiniranega mehansko – optičnega pristopa z interferometrom bistveno večji obseg in sicer 2 mm pri ločljivosti 5 nm. Zato ni več
tako zelo pomembno ali je vzorec postavljen zelo vodoravno.
profilometer z interferometričnim pretvornikom
[X Jiang, P.J Scott, D.J Whitehouse and L Blunt, Paradigm shifts in surface metrology. Part I. Historical philosophy, Proc. R. Soc. A (2007) 463]
LASER
voziček
ročica tipala
referenca
napaka
doline
vzorec
Srednja vrednost
hrapavosti Ra
valovna
dolžina
amplituda
valov
srednja
linija
vrhovi razmik
hrapavost - mikrogeometrija
POPIS POVRŠINE
valovitost - makrogeometrija
poškodbe - razpoke, raze, globeli zaradi udarcev
Kadar popisujemo obliko površine, največkrat obravnavamo njeno hrapavost in valovitost. Na površinah opazimo tudi poškodbe. Za poškodbe ne obstajajo standardne tolerance in jih je treba opisati posebej. Za hrapavost in valovitost obstajajo predpisani postopki merjenja, ki so popisani s številnimi standardi.
popis površine
Kot hrapavost (a) označujemo: naključno nastopajoče odstopke od idealne površine, ki jih lahko vsaj približno prikažemo kot zelo kratke valove.
hrapavost, valovitost in oblika
Valovitost (b) so pretežno periodično ponavljajoči odstopki z večjo valovno dolžino.
Oblika (c) je nominalna površina oz odstopki od te površine na makro nivoju.
Najpomembnejše veličine za določanje hrapavosti so: RZ srednja globina hrapavosti, Rmax največja globina hrapavosti, Ra(CLA,AA) aritmetična srednja hrapavost, Rq(RMS) kvadratična srednja hrapavost in Rp globina zaglajevanja. Obstajajo še druge veličine, ki so samo deloma standardizirane, npr. globina profila, nosilnost profila in druge.
parametri hrapavosti površine
Povprečno globino hrapavosti Rz dobimo kot aritmetično srednjo vrednost petih posamičnih globin hrapavosti na izbrani dolžini merjenja lm. Njena prednost je v tem, da v manjši meri upošteva povsem izjemno veliko vrednost Z, ki nastopa morda samo na enem mestu. Računamo jo po enačbi:
Definicija povprečne globine hrapavosti RZ
5
54321 ZZZZZRZ
parametra Rz in Rmax (DIN 4768) hrapavosti površine
Aritmetična srednja hrapavost Ra, je definirana kot aritmetična srednja vrednost absolutnih vrednosti razdalj y dejanskega profila od sedanjega profila. Matematično je izražena z enačbo:
Aritmetična srednja hrapavost
n
i
ia yn
dxyn
R0
11
parameter Ra hrapavosti površine
O uporabnosti površine govori nosilnost profila; dobra naj bi imela kolikor mogoče veliko materiala v bližini temenske črte.
diagram nosilnosti: Abbottova krivulja
parametra nosilnosti površine
struženo jeklo; profil hrapavosti polirana keramika; profil hrapavosti
polirana keramika; krivulja nosilnosti struženo jeklo; krivulja nosilnosti
Simbol za predpis lastnosti površine na načrtih po ISO 1302
Dejanski profil je vsota valovitosti in hrapavosti; pri meritvah ju ločimo s filtriranjem: mehanično - izvedba tipala, ki npr. ne zazna zelo majhnih valov, zato registrira samo valovitost; elektronsko - filtriranje signala z veliko ali samo majhno frekvenco.
utežna
funkcija
profil
srednja
linija
naslednjič: filtriranje profilov
• Kakšna je razlika med teksturo površine in integriteto? – Integriteta površine se nanaša na vse značilnosti površine, tako materialne, kot tudi topografijo površine, ki vključuje tako
hrapavost, kot tudi prevladujoči vzorec na površini; tekstura na drugi strani vključuje le prej omenjene geometrijske značilnosti.
• Opiši hrapavost, valovitost in vzorec! – Hrapavost je povsem ali pa deloma naključna variacija profila površine, značilno je, da ima veliko frekvenco in majhno
amplitudo. Valovitost ima daljšo periodo in često tudi večjo amplitudo. Prevladujoči vzorec na površini (tekstura) ima večinoma eno ali več odlikovanih smeri. Meritev mora potekati pravokotno glede na odlikovano smer. Če je vzorec z naključno usmeritvijo je potrebno opraviti več meritev v različnih smereh.
• Katere metode se uporabljajo za merjenje hrapavosti površin? – Taktilne metode, profilometrija in optične metode. Najpogosteje se uporablja jo profilometrične metode, pri katerih
naprava opravi gib tipala po površini. Gibanje tipala v vertikalni smeri se po pretvorbi izkoristi za izračun hrapavosti.
• Opiši vlogo dolžine Lc (cutoff) – Je dolžina na kateri dovolimo, da profilometer opravi gib preko merilne dolžine.
• Kako je mogoče, da imata dve površini enako vrednost Rq ali Ra? – Problem srednjih vrednosti je v tem, da zanemarijo specifične značilnosti, ki jih odražajo višji statistični momenti.
Vprašanja:
top related