Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский государственный технологический университет «Станкин»

Егорьевский технологический институт (филиал)

ИЗУЧЕНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Технические измерения и приборы»

ЕТИ. ТИиП. ЛР. 03

Егорьевск 2010

Составитель: О.Г. Драгина , к.т.н, доцент кафедры технологии, оборудования и автоматизации машиностроительных производств

В методических указаниях рассмотрены методы и средства измерения шероховатости поверхности: конструкция, настройка и эксплуатация образцов шероховатости, профилометра мод. 250 и двойного микроскопа Линника МИС-11.

Рекомендован порядок выполнения работы, контрольные вопросы, примерное содержание отчета.

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальности 151001 «Технология машиностроения»

Дисциплина «Технические измерения и приборы».

Методические указания обсуждены и одобрены на заседании кафедры технологии, оборудования и автоматизации машиностроительных производств (протокол № от 2010г.)

Зам. заведующего кафедрой _____________ С.Л. Махов

Методические указания одобрены на заседании методического совета института

(протокол № ________ от ___________ 2010г.)

Председатель совета__________________ А.Д.Семенов

ИЗУЧЕНИЕ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

1. Цель работы.

Закрепление теоретических знаний, полученных студентами при изучении методов и средств измерения шероховатости поверхности, приобретение навыков в использовании профилометра и двойного микроскопа МИС-11 при измерении шероховатости плоских поверхностей и закрепление методики оценки результатов измерений.

2. Теоретическая часть

Современное машиностроение предъявляет повышенные требования к методам контроля качества обработки поверхностей, так как от качества обработки в значительной мере зависит срок службы детали, ее износоустойчивость, сила трения и условия смазки трущихся поверхностей.

Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, рассматриваемых на определенной длине (ГОСТ 2789-73).

Линия (поверхность) заданной геометрической формы, определенным образом проведенная относительно профиля (поверхности) и служащая для оценки геометрических параметров поверхности, называется базовой линией (поверхностью). Длина этой линии, в пределах которой количественно оценивают шероховатость, есть базовая длина l. В нашей стране за базовую линию принята средняя линия профиля m – базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная таким образом, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально.

Для качественной оценки шероховатости в общей сложности используется около 30 параметров. Однако в большинстве стран (в том числе и в нашей стране) число таких параметров сведено к шести. Их подразделяют на две группы – вертикальные (их называют также высотные) и горизонтальные (шаговые).

Вертикальные параметры:

R_a (нормируется в пределах 0,008÷100мкм) – среднее арифметическое отклонение профиля - среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины l:

; (1)

Рис. 1 - Профиль поверхностных неровностей и его основные параметры

R_z (нормируется в пределах 0,025÷1600мкм)– высота неровностей профиля по десяти точкам – сумма средних арифметических абсолютных значений глубин пяти наибольших впадин профиля и пяти наибольших выступов профиля в пределах базовой длины,

; (2)

R_max (нормируется в пределах 0,025÷1600 мкм) – наибольшая высота неровностей профиля – расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины.

Горизонтальные параметры:

S_m – средний шаг неровностей профиля – среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины;

S – средний шаг неровностей по вершинам – среднее арифметическое значение шага неровностей профиля по вершинам в предела базовой длины;

t_p – относительная опорная длина профиля, где р – значение уровня сечения профиля – отношение (в %) опорной длины профиля к базовой длине.

2.1 Бесконтактные средства измерения шероховатости.

2.1.1 Метод сравнения с образцами.

Шероховатость поверхности в цеховых условиях достаточно широко оценивают методом сравнения с образцами.

Рис. 2 – Образцы шероховатости

Он заключается в том, что органолептически (визуально или на ощупь) сравнивают шероховатость поверхности исследуемой детали и образца сравнения. Стандартные образцы (рис. 2 ГОСТ 9378-81) изготавливаются для фрезерования, шлифования, точения, строгания и расточки с прямолинейным, дугообразным и дугообразным перекрещивающимся расположением неровностей из стали, чугуна или металлизированных неметаллических материалов. Для всех остальных сочетаний видов поверхностей и обработок необходимо изготавливать специальные образцы шероховатости. Поверхность образца должна в точности имитировать контролируемую поверхность, но в тоже время должна обеспечивать возможность аттестации ее на соответствующем приборе. На каждом образце шероховатости должно быть нанесено номинальное значение шероховатости R_a или R_z в микрометрах, а также вид обработки. Приняты следующие обозначения:

Токарная обработка: - точение (Т) - расточка (Р) - точение торцовое (ТТ) Фрезерная обработка: - фрезерование торцовое (ФТ) - фрезерование торцовое перекрещивающееся (ФТП) - фрезерование цилиндрическое (ФЦ) Шлифовальная обработка: - шлифование цилиндрическое наружное (ШЦ) - шлифование цилиндрическое внутреннее (ШЦВ) - шлифование плоское (ШП) - шлифование торцовое (ШТ) - шлифование чашеобразным кругом (ШЧ)

Для повышения достоверности оценки шероховатости исследуемая деталь и образец должны быть получены одним методом и из того же материала.

Основные области применения образцов: - контроль шероховатости труднодоступных поверхностей; - оперативная оценка шероховатости детали на различных стадиях технологического процесса механообработки; - использование в качестве рабочих образцов при контроле металла и металлоизделий

ГОСТ 9378 распространяется на образцы шероховатости поверхности (сравнения), предназначенные для сравнения визуально и на ощупь с поверхностями изделий, полученными обработкой резанием, полированием, электроэрозионной, дробеструйной и пескоструйной обработкой.

Технические характеристики:

Ширина образцов - не менее 20мм.

Длина образцов, мм:     - 20 мм при Ra от 0,025 до 12,5 мкм (базовая длина до 2,5 мм);     - 30 мм при Ra от 6,3 до 12,5 мкм (базовая длина 8 мм);     - 50 мм при Ra 25 мкм

Условное обозначение	Наименование обработки	Форма образца	Параметр шероховатости Ra, мкм	Базовая длина, мм	Кол-во в комплекте
Т	точение	цилиндрическая выпуклая	0,4;0,8;1,6;3,2;6,3;12,5	0,8;0,8;0,8;2,5;2,5;2,5	6
ТТ	точение торцовое	плоская	0,4;0,8;1,6;3,2;6,3;12,5	0,8;0,8;0,8;2,5;2,5;2,5	6
Р	расточка	цилиндрическая вогнутая	0,4;0,8;1,6;3,2;6,3;12,5	0,8;0,8;0,8;2,5;2,5;2,5	6
С	строгание	плоская	0,8;1,6;3,2;6,3;12,5;25,0	0,8;0,8;2,5;2,5;8,0;8,0	6
ФЦ	фрезерование цилиндрическое	плоская	0,4;0,8;1,6;3,2;6,3;12,5	0,8;0,8;2,5;2,5;8,0;8,0	6
ФТ	фрезерование торцовое	плоская	0,4;0,8;1,6;3,2;6,3;12,5	0,8;0,8;2,5;2,5;8,0;8,0	6
ФТП	фрезерование торцовое перекрещивающееся	плоская	0,4;0,8;1,6;3,2;6,3;12,5	0,8;0,8;2,5;2,5;8,0;8,0	6
ШП	шлифование плоское	плоская	0,05;0,1;0,2;0,4;0,8;1,6;3,2	0,25;0,25;0,25;0,8;0,8;0,8;2,5	7
ШЦ	шлифование цилиндрическое наружное	цилиндрическая выпуклая	0,05;0,1;0,2;0,4;0,8;1,6;3,2	0,25;0,25;0,25;0,8;0,8;0,8;2,5	7
ШЦВ	шлифование цилиндрическое внутреннее	цилиндрическая вогнутая	0,05;0,1;0,2;0,4;0,8;1,6;3,2	0,25;0,25;0,25;0,8;0,8;0,8;2,5	7
ШТ	шлифование торцовое	плоская	0,05;0,1;0,2;0,4;0,8;1,6;3,2	0,25;0,25;0,25;0,8;0,8;0,8;2,5	7
ШЧ	шлифование чашеобразным кругом	плоская	0,05;0,1;0,2;0,4;0,8;1,6;3,2	0,25;0,25;0,25;0,8;0,8;0,8;2,5	7
Э	электроэрозионная	плоская	0,4;0,8;1,6;3,2;6,3;12,5	0,8;0,8;0,8;2,5;2,5;2,5	6
ДС	дробеструйная	плоская	0,2;0,4;0,8;1,6;3,2;6,3;12,5;25,0	0,8;0,8;0,8;0,8;2,5;2,5;2,5;2,5	8
ПС	пескоструйная	плоская	0,2;0,4;0,8;1,6;3,2;6,3;12,5;25,0	0,8;0,8;0,8;0,8;2,5;2,5;2,5;2,5	8
ПП	полирование плоское	плоская	0,006;0,0125;0,025;0,050;0,1;0,2	0,08;0,08;0,08;0,25;0,25;0,8	6
ПЦ	полирование цилиндрическое	цилиндрическая выпуклая	0,006;0,0125;0,025;0,050;0,1;0,2	0,08;0,08;0,08;0,25;0,25;0,8	6

Таблица применяемости параметров шероховатости и сравнения с классами чистоты

Класс чистоты (до 01.01.1975 г.)	Преимущественное применение		Ограниченное применение	Ранее применявшиеся
	по Ra, мкм	базовая длина, мм	по Rz, мкм	по Rz, мкм	по Ra, мкм
1	Ra 50	8,0	Rz 400	Rz 320
2	Ra 25	8,0	Rz 200	Rz 160
3	Ra 12,5	2,5	Rz 100	Rz 80
4	Ra 6,3	2,5	Rz 50	Rz 40
5	Ra 3,2	0,8	Rz 25	Rz 20
6	Ra 1,6	0,8	Rz 12,5		Ra 2,5
7	Ra 0,8	0,8	Rz 6,3		Ra 1,25
8	Ra 0,4	0,25	Rz 3,2		Ra 0,63
9	Ra 0,2	0,25	Rz 1,6		Ra 0,32
10	Ra 0,1	0,25	Rz 0,8		Ra 0,16
11	Ra 0,05	0,25	Rz 0,4		Ra 0,08
12	Ra 0,025	0,08	Rz 0,2		Ra 0,04
13	Ra 0,012	0,08	Rz 0,1	Rz 0,1
14	Ra 0,01	0,08	Rz 0,05	Rz 0,05

Органолептический метод позволяет давать заключение только о соответствии или несоответствии рассматриваемой поверхности установленным образцам (погрешность сравнения порядка 30-50%).

Визуальный метод оценки шероховатости применим для поверхностей с R_a = 50-0,4 мкм. Применение микроскопов сравнения, позволяющих наблюдать в поле зрения поверхности образца и исследуемой детали под большим увеличением, существенно расширяет диапазон оценки шероховатости поверхности. Метод используют для оценки поверхностей с R_a = 12,5-0,025 мкм.

Подготовку средства измерения к работе и процесс измерения ведут в следующем порядке:

• Обеспечить достаточно яркое, равномерное, рассеянное освещение контролируемой поверхности.

• Из комплекта образцов шероховатости с соответствующим типом обработки по материалу, выбрать один, наиболее близко по внешнему виду и на ощупь совпадающий с контролируемой поверхностью

• Сравнение производить с помощью лупы.

• Следы обработки на образце необходимо располагать аналогично следам на детали.

• Шероховатость контролируемой поверхности принимается равной шероховатости образца.

2.1.2 Метод светового сечения

Для количественной оценки шероховатости поверхности бесконтактным методом в основном используют оптические средства измерения. Для этого применяют два способа оценки поверхностных неровностей: получение увеличенного изображения неровности с помощью оптической системы или использование отражательных способностей обработанной поверхности.

Приборы светового и теневого сечения относятся к приборам одновременного преобразования профиля.

Метод светового сечения предложен В.П. Линником в 1929 году. Принцип действия приборов светового сечения заключается в получении увеличенного изображения профиля измеряемой поверхности с помощью лучей, направленных наклонно к измеряемой поверхности, и измерении высоты неровностей в получаемом изображении.

Двойной микроскоп МИС-11 предназначен для контроля качества обработки (чистоты) наружных поверхностей различных деталей путем измерения высоты неровностей микропрофиля в пределах от 3 до 9 класса чистоты по ГОСТ 2789-51 (что соответствует пределам для R_a =20…0,32мкм, R_z=63…1,25мкм).

Измерения на микроскопе ведут по параметру R_z. Пределы измерения прибора определяются выбором со­ответствующих объектов и зависимости от шероховато­сти контролируемой поверхности.

Метод светового сечения заключается в следующем (рис. 3). Пусть че­рез освещенную щель S (рис. 2, а) будет падать пучок света на плоскость Р_1. Очевидно, изображение щели займет положение S'₁, а на поверхности Р₂ - положе­ние S'₂. Расстояние между поверхностями Р₁, и Р₂ будет соответствовать высоте шероховатостей h. В поле зре­ния микроскопа, ось которого расположена под углом 90° к оси проектирующего микроскопа, изображение щели будет иметь вид, показанный на рисунке 2, б. Величина b, характеризующая смещение изображения S'₂ относительно S'₁ и будет служить мерой ступень­ки h.

Рис. 3 - Схема светового сечения. Рис.4 - Оптическая схема микроскопа

На рисунке 4 дана принципиальная оптическая схе­ма двойного микроскопа. От источника света через щель S проходит луч, который собирается в фокальной плоскости объектива О₁. Изображение щели, видимое как бы в разрезе, проектируется на поверхность дета­ли Р. Второй объектив О₂ визуального микроскопа проектирует изображение на сетку М окуляра К. Изображение щели будет деформированным (рис. 5), причем смещение щели будет зависеть от высоты шероховатости поверхности.

Рис. 5 - Изображение видимого поля в микроскопе

Двойной микроскоп МИС показан на рисунке 6. Микроскоп представляет собой основание 1, на стой­ке 11 которого закреплен кронштейн 10. На кронштейне смонтированы салазки 8, на которых закреплены два микроскопа: микроскоп наблюдения 6 и проекционный микроскоп 14. В микроскопе 14 имеется прямолиней­ная щель, освещаемая источником света. Изображение щели проектируется на поверхность детали и рассматривается с помо­щью микроскопа 6, снабженного окулярным микрометром 5 с 15-кратным увеличением.

Для того чтобы установить изо­бражение щели в середине поля оку­ляра, осветительный тубус снабжа­ется регулировочным винтом 16. Кольцо 15 служит для регулирова­ния ширины щели. Микрофокуси­ровка осуществляется с помощью винта 7. Контролируемую деталь 4 устанавливают па стол 3, снабженный микрометриче­скими головками, с помо­щью которых можно пере­мещать стол в двух взаим­но перпендикулярных на­правлениях. Поворот стола в вертикальной плоскости может быть осуществлен только при отстопоренном винте 2. Кронштейн в исход­ном положении устанавли­вают с помощью гайки 13, закрепляя ее в необходимом положении стопорной гай­кой 12. Салазки 8 устанав­ливают путем перемещения их относительно направляю­щих кронштейном 10 с по­мощью реечной подачи вин­том 9.

Отличительная особенность работы двойных микроскопов заключается в необходимости предварительного определения цены деления круговой шкалы винтового окулярного микрометра (МОВ) при каждой паре сменных объективов в отдельности. Это вызвано двумя обстоятельствами: зависимостью увеличения любого микроскопа от оптической длины его тубуса и невозможностью по технологическим причинам изготовить абсолютно идентичные микрообъективы. Цену деления круговой шкалы винтового окулярного микрометра определяют объект-микрометром (ГОСТ 7513-75), представляющим собой металлическую пластину со шкалой с делениями через (0,010,001)мм, который прикладывают к прибору.

Рис.6 - Двойной микроскоп типа МИС:

1 — основание; 2 — стопорный винт стола; 3 — предметный стол; 4— контролируемая деталь; 5 — окуляр­ный микрометр; 6 — микроскоп на­блюдения; 7 —винт для микрофо­кусировки; 8 — салазки крепления микроскопов; 9 — винт реечной по­дачи салазок; 10 — направляющие кронштейна; 11 — стойка; 12 — сто­порный винт кронштейна; 13 — гай­ка установки кронштейна; 14 — проекционный микроскоп; 15 — кольцо для регулирования ширины цели; 16 — винт установки изобра­жения.

Для установки цилиндрических деталей на предмет­ном столе служит накладной столик с призмами. Пре­делы измерения двойного микроскопа типа МИС определяются выбором соответствующих объективов (табл. 1) в зависимости от шероховатости контроли­руемой поверхности.

Таблица 1 Данные для выбора объектива

Классы шароховатости поверхности	Шифр объектива	Фокусное расстояние объектива	Апертура	Увеличение объектива с дополнительной линзой F=147мм
3-6	ОС-39	25,0	0,13	5,9х
5-7	ОС-40	13,9	0,30	10,6х
6-8	ОС-41	8,2	0,37	18,0х
8-9	ОС-42	4,3	0,50	34,5х

Подготовку прибора к работе и процесс измерения ведут в следующем порядке:

• Определить цену деления прибора:

а) в тубусы микроскопов установить два одинако­вых объектива, соответствующих необходимому увели­чению для предполагаемого класса шероховатости по­верхности детали;

б) поместить на предметный стол объект-микрометр;

в) включить освещение микроскопа;

г) вращением гайки 13 (рис. 6) при отстопоренном винте 12 установить кронштейн с корпусом микро­скопов так, чтобы была видна пластинка объект-микро­метра, и закрепить кронштейн винтом 12;

д) поднимать или опускать микроскопы с помощью винта 9 до тех пор, пока не появится изображение све­товой щели. Щель должна располагаться в центре по­ля зрения (рис. 5). Добиться этого можно путем вра­щения винта 16. Окончательную фокусировку произвести, вращая винт 7;

е) расположить объект-микрометр так, чтобы шкала попала в изображение щели и чтобы штрихи шкалы бы­ли перпендикулярны к ее изображению;

ж) освободить винт крепления окулярного микро­метра и повернуть его вокруг оси так, чтобы на­правление винта микрометра было параллельно направ­лению изображения щели. При этом деления неподвиж­ной шкалы окулярного микрометра будут параллельны делениям шкалы объект-микрометра;

з) совместить перекрестие окулярного микрометра с каким-либо штрихом объект-микрометра и сделать от­счет по барабану окулярного микрометра. Наблюдая в окуляр, перевести перекрестие па другой штрих объект-микрометра, отстоящего на некоторое число делений (чем больше, тем лучше), и сделать второй отсчет по барабану окулярного микрометра;

и) определить цену деления прибора:

, (3)

где: z — число делений шкалы объект-микрометра, пройденных перекрестием окуляр-микрометра; С — цена деления объект-микрометра; А — разность отсчетов, полученных при двух смещенных перекрестиях, выра­женная в делениях барабана. Определяя значение А, не следует забывать число полных оборотов барабана.

• Установить измеряемую деталь на стол:

а) окуляр-микрометр повернуть вокруг оси та­ким образом, чтобы горизонтальная линия перекрестия встала параллельно линии щели, и застопорить его в этом положении;

б) снять объект-микрометр со стола и на стол установить чисто промытую деталь;

в) сфокусировать изображение щели на детали так же, как это было указано выше;

г) поворачивать измеряемую деталь так, чтобы на­правление неровностей было перпендикулярно изобра­жению щели. Устанавливая деталь, добиться такого положения, когда одна из сторон щели будет выглядеть резче, чем другая (рис. 7).

Рис. 6 - Схема измерения шероховатостей:

а — касание вершин изгиба; б — касание впадин изгиба.

• Провести измерения:

а) горизонтальную линию перекрестия подвести к вершине изгиба щели — к той ее части, которая будет наиболее резкой (рис.7, а). В этом положении снять отсчет по барабану окулярного микрометра 5 (рис. 6). Лучше, если горизонтальная линия будет ка­саться вершин неровностей при максимальном их от­клонении;

б) горизонтальную линию перекрестия подвести к впадинам изгиба щели (рис. 7) и провести второй отсчет по барабану окулярного микрометра 5;

в) определить шероховатости R_z по формуле:

, (4)

где N — разность отсчетов по барабану окулярного микрометра; Е — цена деления шкалы.

Для более точного установления значения R_z сле­дует повторить измерение не менее пяти раз при раз­личных длинах участков измерения. Длину участка из­менить винтом продольного перемещения стола.

Окончательно значение R_z определить по формуле:

. (5)