metrologija

poglavje

MERJENJE HRAPAVOSTI

površine 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 mikrogeometrija oz. še širše – integriteta površine.

merjenje hrapavosti

• relevantnost področja • mehanizem nastanka površine • merilne metode in naprave • parametri hrapavosti

http://lab.fs.uni-lj.si/lat/uploads/metrologija/hrapavost.pdf www.fs.uni-lj.si/lat/ -> izobraževanje -> metrologija -> predavanja -> meritve hrapavosti

relavantnost področja

pravilo palca: če želimo povečati življensko dobo izdelka za faktor dva, moramo integriteto površine izboljšati za faktor deset [Shaw, Metal Cutting Principles]

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

napaka

nominalna površina prerez

profil

značilnosti materialnih lastnosti plastična deformacija zaostale napetosti mikro in makro razpoke trdota površinske plasti fazne spremembe rekristalizacija korozija med zrni krhkost zaradi izpostavitve vodiku

oblika valovitost hrapavost

značilnosti topografije napake tekstura oblika valovitost hrapavost

ZAKAJ SO POVRŠINE NEKAJ POSEBNEGA?

a

[JOHN A. VENABLES, Introduction to Surface and Thin Film Processes]

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 (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 / 2a2 glede na atome na "terasi". esnov = 6 f / 2a3 epovrš = (6-5)f / 2a2 eskok = (5-4)f / 2a ekoleno = (4-3)f / 2

vpliv topografije površine na funkcionalnost izdelkov Hrapavost in tekstura ključno vplivata na: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

delovanje naprave kvaliteto izdelka prileganje sestavnih delov zamenljivost komponent mazljivost obrabo korozijo utrujanje hrup trenje videz

dvojni vidik merjenja hrapavosti površin površina z vidika proizvodnje

površina z vidika funkcionalnosti

orodje

trenje,obraba obdelava izdelka

meritev površine

funkcionalnost površine vidna obraba, estetski izgled

proces

napoved funkcionalnosti

nadzor procesa proces izdelave kakovost skladnosti spreminjanje parametra hrapavosti

funkcionalnost površine

kakovost konstrukcije absolutna vrednost parametra hrapavosti

[povzeto po: Whitehouse, Surface Characterisation and Roughness Measurement in Engineering, 2000]

mehanizmi nastanka topografije - AVC I

50 mm

abr. zrno odvzeti vol.

mehanizmi nastanka topografije - AVC 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 struženo

brušeno

primer: proces brušenja

enotski dogodek zaradi delovanja ostrega zrna

profil površine

brušenje + honanje

vibracijsko valjanje

vibracijsko valjanje

enotski dogodek zaradi delovanja ostrega zrna

profil površine

površina nastane kot konvolucija oblike enotskega dogodka s porazdelitvijo dogodkov po površini

David J. Whitehouse, Surface Characterization and Roughness Measurement in Engineering, in Topics in Applied Physics Photomechanics Editor: P. K. Rastogi

pri mikro-izdelkih se pomen hrapavosti povečuje Pomen hrapavosti se v domeni mikroobdelave 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. Zobnik mikrofluidnega senzorja izelan iz safirja s 355 nm 15 ns laserjem. [Lambda Physik USA, Inc.]

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]

merilne metode in naprave

Taktilne normale za primerjanje hrapavosti

en.wikipedia.org/wiki/Sailing_stones

svetloba odkrije podrobnosti

tipično opazovanje površine

merilne metode in naprave SA: zrcalni kot (specular angle) PA: VRH (peak angle) = kot pri katerem opazimo maksimalni odbiti svetlobni tok

osvetlitev

procesiranje

kamera hrapava površina

vzorec

koračni motor prenos redukcija obratov zaradi natančnejšega pozicioniranja

merjenje profila površine s svetlobnim rezom

Pot žarkov v merilniku

Schmaltzev merilnik

shematično prikazan svetlobni rez Slika, zajeta s kamero

merjenje profila površine s profilometrom

Tomlinsonov merilnik hrapavosti

merjenje profila površine s profilometrom: delovanje 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.

tipalo (2):

stožec

tipalo lahko naredimo bolj konično, vendar bo zato bolj podvrženo obrabi in še interakciji z merjencem!

piramida

tipična izvedba ima radij 2 mm in kot 60o

pot sredine radija tipala

izvedbe profilometrov izvor

zaslon detektor

konzolni pretvornik

vzmet pretvornik / transducer tipalo

merjena površina

dušilka

izvedbe profilometrov

čeveljc

tipalo

pivot

hrapavost II.

[T.A.Bozdana, Uni-Gaziantep, ME472_7]

notranja ali zunanja referenca

[T.A.Bozdana, Uni-Gaziantep, ME472_7]

[Whitehouse, Surface Characterisation and Roughness Measurement in Engineering, 2000]

profilometer z interferometričnim pretvornikom LASER

voziček referenca

ročica tipala

"Form Talysurf" je zaradi pristopa kombiniranega z interferometrom imel bistveno večji obseg in sicer 2 mm pri ločljivosti 5 nm. Zato ni več tako zelo pomembno ali je vzorec postavljen zelo vodoravno. [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]

brezkontaktno merjenje hrapavosti a) pnevmatsko merjenje hrapavosti

b) merjenje hrapavosti z vrtinčnimi tokovi

popis površine napaka

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.

vzorec

valovna dolžina amplituda valov

doline

srednja linija

Srednja vrednost hrapavosti Ra vrhovi

razmik

POPIS POVRŠINE hrapavost - mikrogeometrija valovitost - makrogeometrija poškodbe - razpoke, raze, globeli zaradi udarcev

hrapavost, valovitost in oblika

Kot hrapavost (a) označujemo: naključno nastopajoče odstopke od idealne površine, ki jih lahko vsaj približno prikažemo kot zelo kratke valove.

Valovitost (b) so pretežno periodično ponavljajoči odstopki z večjo valovno dolžino. Oblika (c) je nominalna površina oz odstopki od te površine na makro nivoju.

parametri hrapavosti površine

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 Pti, nosilnost profila tpi in druge.

parametra Rz in Rmax (DIN 4768) 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: Z Z Z Z Z

RZ 

1

2

3

4

5

5

Definicija povprečne globine hrapavosti RZ

parametri hrapavosti površine O uporabnosti površine govori nosilnost profila; dobra naj bi imela kolikor mogoče veliko materiala v bližini temenske črte.

diagram nosilnosti: Abbottova krivulja

struženo jeklo; profil hrapavosti

struženo jeklo; krivulja nosilnosti

polirana keramika; profil hrapavosti

polirana keramika; krivulja nosilnosti

Simbol za predpis lastnosti površine na načrtih po ISO 1302

filtriranje profilov 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

merjenje hrapavost na okroglih merjencih meri tudi asferične oblike + hrapavost na teh merjencih

• High measuring range up to 260 mm • High measuring speed and

merjenje hrapavost na okroglih merjencih

priročni merilnik - brez zunanje reference - čeveljca

prednost merilnika brez zunanje reference

[T.A.Bozdana, Uni-Gaziantep, ME472_7]

priročni merilnik - brez zunanje reference - čeveljca

Mahr Federal: Portable Surface Roughness Tester: Pocket Surf: EMD1500-311+CAL $1996

priročni merilnik - brez zunanje reference - čeveljca

Mitutoyo Surftest Extreme

3D parametri

VREDNOTENJE POVRŠINE S PROFILOMETRIJO V TREH DIMENZIJAH OMOGOČA ANALIZO V VEČ SMEREH.

nekateri standardi, ki obravnavajo pravilno merjenje hrapavosti

računanje parametrov hrapavosti

0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8

0

0.5

1

1.5

2

2.5 4

x 10

Ra: 0.19946297499

0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8

0

0.5

1

1.5

2

2.5 4

x 10

vprašanja: •

•

•

• • •

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. Kako dobimo krivuljo nosilnosti površine? "izmerimo" dolžino, ki jo zapolnjuje material merjenca na določeni globini. Deleže teh dolžin vnesemo v graf ...