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: