Практическое занятие № 5
Алгоритмизация процесса выбора контрольно-измерительного инструмента(2 часа)
Контрольно-измерительный инструмент выбирается отдельно на каждый технологический переход! Технологические задачи инструмента (вид контролируемой поверхности, требования к точности контролируемых параметров.) определены в назначении и формулировке перехода.
Измерительные средства. Основные понятия и классификация
Измерительные средства – это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. Измерительные средства подразделяются на эталоны, меры, измерительные приборы, установки, системы и преобразователи.
Эталоны – это средства, официально утвержденные и обеспечивающие воспроизведение и (или) хранение единицы физической величины с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. По уровню признания различают международные и национальные эталоны. Первичный эталон – это эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы (шкалы) с наивысшей в стране точностью (по сравнению с другими эталонами той же единицы). Государственным называется первичный эталон – эталон, официально утвержденный в качестве исходного, т.е. наиболее точного для страны. Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы физической величины путем сличения с первичным эталоном той же единицы.
При большом объеме поверочных работ создаются эталоны- копии, которые имеют тот же ранг вторичных эталонов. Рабочим называется вторичный эталон, применяемый для непосредственной передачи размера единицы физической величины образцовым средствам измерения.
Меры – средства измерений, воспроизводящие единицу измерения, либо дробное или кратное ее значение. Меры подразделяются на штриховые, концевые, меры массы, меры индуктивности и т.д.
Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. В зависимости от формы представления информации различают аналоговые и цифровые приборы.
Аналоговым называется измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией измеряемой величины, например, стрелочный вольтметр, ртутно-стеклянный термометр, гладкий микрометр и т.д. В цифровом приборе осуществляется преобразование аналогового сигнала измерительной информации в цифровой код и результат измерения отражается на цифровом табло: цифровые штанге инструменты, цифровые вольтметры, частотомеры и т.д.
Измерительные приборы классифицируются:
1) по назначению: на универсальные, предназначенные для измерения одноименных физических величин различных изделий; специализированные, для измерения изделий определенного типа, например, зубчатых колес, либо определенных параметров изделия, например, шероховатости поверхности;
2) по конструкции: на штриховые с нониусом; микрометрические, основанные на принципе действия винтовой пары; рычажно-механические (с зубчатыми, рычажно-зубчатыми и пружинными механизмами); оптико-механические; электрические (электроконтактные, электроиндуктивные, емкостные, токовихревые, фотоэлектрические); лазерные; приборы и устройства технического зрения; бесшкальные контрольные инструменты;
3) по степени механизации: ручного действия; механизированные; полуавтоматы и автоматы.
Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте.
К измерительным установкам можно отнести автоматизированные профилографы-профилометры, координатно-измерительные машины и т.д.
Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в системах управления, контроля, диагностики и т.п.
Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для преобразования сигналов измерительной информации в форму, целесообразную для передачи, обработки или хранения. Измерительная информация на выходе измерительного преобразователя, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные преобразователи очень разнообразны. К ним относятся термопары, измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные усилители и т.д.
Меры, измерительные приборы и измерительные преобразователи бывают образцовые и рабочие. Образцовые – предназначены для передачи единиц измерений, а также дробных или кратных их значений рабочим средствам измерения и для поверки последних. Рабочие – используются для проведения измерений, не связанных с передачей единиц измерения. Все приборы содержат чувствительный элемент, находящийся под воздействием измеряемой величины, измерительный механизм и отсчетное устройство.
Выбор средств измерения линейных размеров. Общие положения
Средства измерения выбирают с учетом метрологических и экономических факторов. При выполнении производственных измерений в первую очередь учитывают следующие метрологические показатели СИ: диапазон измерений; диапазон показаний; погрешность измерительных приборов и инструментов.
К экономическим показателям относят: стоимость СИ, продолжительность их работы до повторной установки, продолжительность их работы до ремонта, время, затрачиваемое на установку и сам процесс измерения, необходимая квалификация оператора.
На выбор СИ влияет и характер производства. При большом количестве контролируемых изделий (массовое, крупносерийное, серийное производство) целесообразно применять специальные СИ и калибры; при малом количестве измеряемых изделий (мелкосерийное, единичное производство) преимущество остается за универсальными СИ. Правильный выбор СИ не только обеспечивает требуемую точность, но и сокращает себестоимость выпускаемой продукции.
Необходимым условием правильного выбора универсального СИ является соответствие его метрологических характеристик следующим условиям:
− диапазон измерения СИ должен быть больше измеряемого размера;
− диапазон показаний СИ должен быть больше допуска измеряемого размера;
− предельная погрешность измерения выбранным СИ ∆A должна быть меньше допускаемой погрешности измерения δ.
Значения допускаемых погрешностей измерения δ установлены (табл. 1) в зависимости от допусков и номинальных размеров измеряемых изделий ГОСТ 8.051. Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 500 мм. В соответствии с этим ГОСТ, значения δ определены для квалитетов 2–17 и приняты равными: 0,2 Т (Т – допуск размера) – для IТ10 – IТ17; 0,3 Т – для IТ6 – IТ9; 0,35 Т – для IТ2 – IТ5. Расчетные значения δ округлены с учетом реальных значений погрешностей измерения измерительными средствами.
Таблица 1 – Допускаемые погрешности измерения линейных размеров (ГОСТ 8.051)
Контроль шероховатости
Среди показателей качества продукции первостепенное значение имеют параметры шероховатости поверхности, являющейся одной из важнейших эксплуатационных характеристик. От неё зависит не только коэффициент трения изделий, но и множество других свойств – коррозионная и износостойкость, ряд механических характеристик.
Если говорить предметнее, на поверхностях деталей проистекают процессы, оказывающие на них негативное влияние: зарождение трещин, износ, обусловленный трением, эрозионные и коррозионные разрушения, смятие. Часто такие дефекты материалов, оказывают не меньшее влияние чем деформация тел. Придание же поверхности определённых микрогеометрических свойств способствует повышению сопротивляемости детали внешним воздействиям и, как следствие, возрастанию прочности и надёжности. Поэтому параметры шероховатости поверхности
Значение параметров поверхности, обеспечивающих достаточные эксплуатационные характеристики, регулируются путём проведения операций обработки, как правило – шлифования. Качество же уже «подготовленной» поверхности контролируется с помощью приборов для измерения шероховатости. О двух из них – профилометре и профилографе, реализующих контактный метод измерения – пойдёт речь.
Сразу стоит отметить тот факт, что разница в устройстве и принципе действия данных СИТ невелика. Отличие заключается лишь в способе представления результатов. Профилометр отражает величину параметра, характеризующего шероховатость, на специальной шкале или индикаторе, а профилограф «выдаёт» результаты после окончания процесса измерения в виде графика (профилограммы), который представляет собой кривую линию, нуждающуюся в расшифровке.
Профилометр
Рисунок 1 – Общий вид профилометра
Профилометр, как уже было сказано выше, представляет собой прибор для измерения шероховатости контактным методом: по оцениваемой поверхности перемещается игла, колеблющаяся в местах неровностей. Эти колебания вызывают возбуждение ЭДС и, соответственно, малых токов. Они усиливаются и регистрируются с помощью гальванометра, показания которого выводятся на дисплей прибора и позволяют судить о характере исследуемой поверхности – высоте микронеровностей. Однако нередко для оценки шероховатости выбирается не высота, а другой параметр шероховатости (подробнее о них рассказано в статье http://www.devicesearch.ru/article/8487).
Устройство и принцип действия профилометра
Генератором сигнала в профилометре является тонко заточенная – чаще всего алмазная – игла. Она перемещается по нормали к поверхности, шероховатость которой оценивается. Выработанный сигнал – механический – преобразуется в токовый с помощью преобразователя, который может быть пьезоэлектрическим, ёмкостным или индуктивным. Затем сигнал поступает на электронный усилитель, а затем интегрируется и визуализируется – на экране прибора, таким образом, виден уже усреднённый параметр, который характеризует поверхностные неровности на участке определённой длины не только количественно, но и качественно.
Рисунок 2 – Схема контроля профиля поверхности
В зависимости от вида трассы интегрирования выделяют несколько типов профилометров.
С постоянной трассой интегрирования. В таких приборах трасса интегрирования по длине равна трассе ощупывания. Результат измерений в данном случае доступен только после завершения процедуры.
Со скользящей трассой интегрирования. В СИТ данного типа трасса интегрирования в несколько раз короче трассы ощупывания, а отсчёт показаний выполняется параллельно с перемещением иглы по поверхности.
В отдельную группу выделяют профилометры с механотронным преобразователем, измеряющие параметры неровности с указанием Ra – среднего арифметического значения отклонения профиля.
Многие приборы оснащаются анализатором, позволяющим по гармоническим составляющим поступающего от иглы сигнала (вернее, по характеризующей их прямой) судить о неровностях поверхности.
Погрешность профилометров не выходит за пределы ±25 %, а у многих современных приборов - ±10 %.
Профилограф
Профилограф, также, как и профилометр, служит для контроля параметров шероховатости поверхности, однако, результаты измерений представляется в виде кривой, которая характеризует волнистость и шероховатость. Обработку кривой – профилограммы – проводят графоаналитическим методом.
Рисунок 3 – Общий вид профилографа
Устройство и принцип действия профилографа
Прибор состоит из трёх основных блоков. Первый – измерительный, включающий иглу, её привод и измерительный столик – позволяет получить сигнал, на основе которого в последствие будет построена характеризующая микронеровности кривая.
Второй – электронный – блок позволяет усилить и преобразовать сигнал, который затем поступает в третий блок – записывающее устройство, вычерчивающее профилограмму в увеличенном масштабе на металлизированной бумаге, светочувствительную бумагу или специальную плёнку.
Погрешность прибора не превышает ±5-10 %.
Принцип действия профилографа практически не отличается от ПД профилометра – игла перемещается по нормали к исследуемой поверхности; от неё на преобразователь, а затем на электронный усилитель поступает сигнал, который, однако, не отражается на экране, а отображается графически.
Профилограмма записывается в увеличенном масштабе (увеличение по горизонтали до 100000 раз, по вертикали 400-200000 раз) – это делает её расшифровку гораздо удобнее.
Профилограф-профилометр
Рисунок 4 – Общий вид профилографа-профилометра
Для оценки шероховатости и волнистости поверхности также используют комбинированные приборы – профилографы-профилометры. Они позволяют одновременно проводить запись параметров микронеровностей поверхности на носитель – электротермическую бумагу или др., и наблюдать за результатами проведения измерений в режиме реального времени – с помощью показывающего прибора, который может быть аналоговым или цифровым.
Действие профилографа-профилометра, как и выше описанных СИТ, основано на ощупывании контролируемой поверхности заточенной иглой с малым радиусом закругления и преобразовании её колебаний в электрический сигнал индуктивным или другим методом.
Контроль твердости
Твёрдость — свойство материала не испытывать пластической деформации вследствие местного контактного воздействия (обычно сводящегося к внедрению в материал более твёрдого тела — индентора).
Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объёму отпечатка. Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:
- поверхностная твёрдость — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;
- проекционная твёрдость — отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;
- объёмная твёрдость — отношение нагрузки к объёму отпечатка.
Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 Н до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2 мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness).
Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта, в англоязычной литературе — indentation size effect. Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:
- для сферического индентора — с увеличением нагрузки твердость увеличивается — обратный размерный эффект (reverse indentation size effect);
- для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича — с увеличением нагрузки твердость уменьшается — прямой или просто размерный эффект (indentation size effect);
- для сфероконического индентора (типа конуса для твердомера Роквелла) — с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).
Методы измерения твёрдости
Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на:
1) статические;
2) динамические (ударные).
Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):
- Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга (твердость по Мейеру)); размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кгс/мм²). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H — hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль;
- Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B — 130 единиц.
- Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
- Методы Шора:
•Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) — твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.
• Дюрометры и шкалы Аскер — по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и нац. японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами.
•Твёрдость по Шору (Метод отскока) — метод определения твёрдости очень твёрдых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа — измерительного прибора для данного метода), падающий с определённой высоты[5]. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.
Следует понимать, что, хотя оба этих метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкалэто — не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.
Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.
Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому.
Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.
Приборы для измерения твердости
Твердомеры – это специальные приборы, которые используют для осуществления контроля твёрдости деталей, не разрушая её структуру. Контроль твёрдости металла необходим на любых производственных участках, в частности на машиностроительных предприятиях, во время проведения контроля качества изделий, при входном контроле заготовок и сырья, в лабораториях и научно-исследовательских центрах, когда производится разработка новых материалов и конструкций.
В зависимости от габаритов и конструкции контролируемой заготовки, а также свойств и структуры материала применяются стационарные и портативные твердомеры, которые различаются по своей конструкции и принципу действия. Твёрдость определяется по различным шкалам – Виккерса, Бринелля, Шора, Роквелла. Наиболее мягкие изделия определяют по шкале Бринелля или Шора, для твёрдых – Роквелла, а для совсем уж твёрдых – Виккерса. Также выбор шкалы производится в соответствии с технической документацией.
Принцип измерения твёрдости заключается в том, что на поверхность образца производят механическое воздействие, в результате которого и получается определить твёрдость материала. Измерение твёрдости по методу Шора заключается в измерении глубины проникновения в материал стального стержня при нужном усилии.
Метод Бринелля осуществляется с помощью микроскопа, благодаря которому измеряют глубину и диаметр отпечатка шарика, который внедрен в материал. Метод Роквелла заключается в измерении глубины внедрения алмазного конусного или стального сферического наконечника с помощью индикатора в материал. А методом Виккерса внедряют в материал специальную четырёхгранную алмазную пирамидку.
Портативные твёрдомеры используют разные методы для определения твёрдости:
- механический;
- контактно-импедансный (ультразвуковой) – твердость определяется по изменению частоты колебаний индентора датчика, при его внедрении в контролируемую поверхность;
- динамический – осуществляется удар по поверхности изделия и выполняется замер скорости индикатора датчика.
Портативные твердомеры
Ультразвуковой, динамический и комбинированный твердомеры предназначены для неразрушающего контроля твёрдости изделий в цеховых, лабораторных и полевых условиях. Твердомеры достоверно измеряют твердость металлов и сплавов по шкалам твердости:
- основным: Роквелла (HRC), Бринелля (HB), Виккерса (HV) и Шора (HSD);
- дополнительным: Роквелла (HRB), Супер-Роквелла (HRN и HRT), Лейба (HL) и другим.
Позволяют измерять твердость металлов существенно отличающихся по свойствам от стали (алюминиевых, медных сплавов и т.д.) и определять предел прочности на растяжение изделий из углеродистых сталей перлитного класса.
Точность измерений обеспечивается передачей значений твёрдости от Государственных Эталонов Твердости РФ непосредственно портативному твердомеру, минуя промежуточные звенья государственной поверочной схемы.
Прямое измерение по основным шкалам твёрдости (Роквелла, Бринелля, Виккерса и Шора) достигается за счет калибровки только с помощью эталонных мер твердости без использования переводных таблиц, которые "зашиты" в программы других твердомеров, увеличивающих погрешность измерения.
Возможность самостоятельно откалибровать твердомер (в течение нескольких минут), что позволяет восстановить точность показаний твердомера при возможном износе механических частей датчика (пружина, боёк) в процессе интенсивной эксплуатации.
Удобство передачи и обработки данных на компьютере достигается за счет подключения твердомера к современному высокоскоростному порту USB и использования эксклюзивного программного обеспечения.
Высокая степень защиты алюминиевого, герметичного, пыле-влагозащищенного, термостойкого корпуса электронного блока.
Преимущества перед стационарными твердомерами
Работа с поверхностным слоем металла: стационарные твердомеры под действием больших нагрузок "продавливают" поверхностный слой, подвергнутый наплавлению, напылению, механической, термической и другим видам поверхностной обработки металла.
Крупногабаритные изделия и труднодоступные места в изделиях: для стационарных твердомеров подобный контроль твердости недоступен из-за технических и конструкционных ограничений.
Измерения на месте производства и эксплуатации изделий: портативность позволяет измерять твёрдость изделия непосредственно на месте производства и эксплуатации изделий в цеховых, лабораторных и полевых условиях.
8 шкал твердости: экспресс-анализ твёрдости изделия по 8-ми различным шкалам твёрдости (в отличии от 1-3 шкал в стационарных твердомерах).
Высокая производительность: время одного измерения портативным твердомером в 5-10 раз меньше времени измерения стационарным.
ПРИМЕР
Рассмотрим пример алгоритмизации выбора контрольно-измерительных систем на переход чистового фрезерования плоской поверхности.