Тверской государственный технический университет

 

 

Кафедра «Технология машиностроения»

 

МЕТРОЛОГИЯ,

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

 

 

Методические указания к лабораторной работе

для студентов специальностей

1201, 1705, 1706, 1709, 1711, 1718, 2102, 2301

 

 

Тверь 2006

Даны описания принципа работы и метрологические характеристики приборов, изложена методика измерения на них.

 

Методические указания утверждены и рекомендованы к опубликованию на заседании кафедры (протокол № 8 от 19.04.2006г.).

 

Составители: Испирян Н.В.,

Нестерова И.Н.

 

© Тверской государственный технический университет

Лабораторная работа №4

 

ИЗМЕРЕНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

 

Цель работы: ознакомление с методами и средствами контроля шероховатости поверхности.

Приборы и материалы для работы:

1. Набор образцов шероховатости.

2. Двойной микроскоп МИС-11,

3. Интерференционный микроскоп.

4. Объекты измерения.

5. Бензин.

6. Гигроскопическая вата.

Последовательность выполнения работы:

1. Ознакомиться с образцами шероховатости.

2. Изучить устройство двойного микроскопа, приемы измерения на нем, провести измерение шероховатости поверхности детали.

3. Изучить устройство интерференционного микроскопа, приемы измерения на нем, произвести измерение шероховатости поверхности детали.

 

Шероховатость поверхности и параметры ее оценки по ГОСТ 2789-73

 

Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей с относительно малыми шагами, рассматриваемых в пределах базовой длины l. Базовая длина l - длина участка, выбираемого для измерения шероховатости без учета других видов неровнос­тей, имеющих шаг более l.

Представление о реальном профиле поверхности дают профилограммы (рис. 1), получаемые на различного типа профилографах. Чис­ловые значения параметров шероховатости определяют от единой базы, за которую принята средняя линии профиля m. Средняя линия профиля m - базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длины сумма квадратов расстояний у₁, y₂, ..., у_n от точек профиля до этой линии минимальна.

Рис. 1. Профилограмма и основные параметры шероховатости

 

Для количественной оценки шероховатости стандартом предусмотрено шесть параметров: три высотных (R), два шаговых (S) и один структурный (t).

Среднее арифметическое отклонение профиля R_a – среднее значение расстояний (у₁, у₂,..., у_n) от точек действительного профиля до его средней линии в пределах базовой длины:

 

,

 

где n - число измерений.

Высота неровностей профиля по десяти точкам R_z - среднее значение абсолютных высот пяти наивысших выступов и глу­бин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины:

 

,

 

При измерении от линии, параллельной средней линии,

 

,

 

Наибольшая высота неровностей профиля R_max - расстояние между наивысшей точкой выступов и наинизшей точкой впадин профиля в пределах базовой длины.

Средний шаг неровностей S_m - среднее значение шага неров­ностей профиля по средней линии в пределах базовой длины:

 

,

 

где - шаг неровностей, под которым понимается длина отрезка средней линии, ограниченного точками пересечения этой линией одноименных сторон соседних неровностей;

n - число шагов в пределах базовой длины. Средний шаг неровностей по вершинам S - среднее значение расстояний между вершинами характерных неровностей в пределах базовой длины:

,

 

где n - число шагов неровностей по вершинам в пределах базовой длины.

Относительная опорная длина профиля t_p - отношение опорной длины профиля к базовой длине:

,

 

где р - заданный уровень сечения;

b_i - значения длин отрезков, отсекаемых в пределах базовой длины на выступах профиля линией, эквидистантной средней линии и расположенной на заданном уровне сечения от линии выступов.

Все указанные параметры могут быть определены при обработке профилограммы или на специальных приборах.

Числовые значения для рассмотренных параметров установлены в таблицах стандарта и для высотных параметров выделены предпочтительные значения (табл. 1), которыми следует в первую очередь пользоваться. Числовые значения базовой длины l соответствуют определенному интервалу значений высотных параметров.

 

Таблица 1

Значения высотных параметров

Параметр	Предпочтительные значения
Rz, Rmax мкм	400, 200, 100, 50	25; I2,5	6,3; 3,2; 1,6	0,8; 0,4; 0,2; 0,1	0,05; 0,025
Rа, мкм	I00; 50; 25; I2,5	6,3; 3,2	1,6; 0,8; 0,4	0,2; 0,1; 0,05; 0,025	0,012
l, мм		2,5	0,8	0,25	0,08

 

1. Определение шероховатости поверхности методом сравнения с образцом

 

Образцу шероховатости представляют собой металлические пластинки с плоской или цилиндрической рабочей поверхностью, полученные различными методами механической обработки. Образцы шероховатости комплектуются в наборы и имеет разную степень шероховатости.

При контроле из набора выбирают образцы, выполненные тем же видом механической обработки, что и деталь. Проверяемую поверхность детали и рабочую поверхность образца очищают от смазки и промывают бензином. Шероховатость поверхности детали определяют методом сравнения. Сравнение производят визуально невооруженным глазом.

 

2. Определение шероховатости поверхности на двойном микроскопе

 

2.1. Устройство прибора

 

Двойной микроскоп позволяет измерять неровности поверхности высотой от 0,8 до 63 мкм.

На основании прибора (рис. 2) укреплена колонка, по которой гайкой 2 перемещается кронштейн 9, закрепленный винтом 10. На кронштейне расположен держатель 7, в котором установлены осветительный микроскоп 12 и наблюдательный микроскоп 5 под углом 90° друг к другу. Держатель 7 может плавно перемещаться в вертикальном направлении маховичком 8 (грубая наводка). Точная фокусировка осуществляется головкой 6. На основании прибора укреплен предметный столик 2, который перемещается микровинтами во взаимно перпендикулярных направлениях. Осветительный микроскоп имеет щель, которая освещается лампочкой. Регулировка ширины щели осуществляется кольцом 13. Для перемещения щели в центр поля зрения служит винт 14. Изображение щели рассматривается с помощью наблюдательного микроскопа 5, снабженного окулярным винтовым микрометром 4. К осветительному и наблюдательному микроскопам имеются сменные объективы с разными увеличениями.

 

2.2. Оптическая схема и принцип действия прибора

 

Оптическая схема прибора (рис. 3) состоит из осветитель­ного и наблюдательного микроскопов, расположенных под углом 45° к изделию. Источник света 1 через светофильтр и конденсор освещает щель 2. Изображение щели проектируется объективом 3 осветительного микроскопа на поверхность изделия 4. Объективом 5 наблюдательного микроскопа изображение щели проектируется на стеклянную пластину 6 окулярного винтового микрометра. Неровность поверхности изделия в виде искривленного изображения щели наблюдают через окуляр. Действие прибора основано на принципе светового сечения. Сущность этого метода заключается в том, что при освещении проверяемой поверхности наклонным плоским пучком лучей на поверхности образуется узкая освещенная полоска, которая представляет собой след пересечения проверяемой поверхности плоскостью светового потока. Так как поверхность не является идеально гладкой, а имеет поверхностные неровности (шероховатость), то линия пересечения плоскости светового пучка и проверяемой поверхности является кривой, следующей по всем поверхностным неровностям, попавшим в сечение. Рассматривая освещенную полоску под некоторым углом наклона к проверяемой поверхности, можно определить величину шероховатости.

 

2.3. Подготовка прибора и выполнение измерений

 

1.Оценить шероховатость поверхности объекта измерения
путем сравнения с образцами шероховатости.

2.Выбрать по таблице 2 подходящую пару объективов в
соответствии с предварительной оценкой шероховатости (пункт 1).
Характеристики объектива записать в отчетную карту.

 

 

Рис. 2. Двойной микроскоп МИС – 11

 

 

 

 

Рис. 3. Оптическая схема МИС – 11

 

 

Таблица 2

Характеристики объективов

 

Шифр объектива	ОС-39	ОС-40	ОC-4I	ОС-42
Фокусное расстояние, мм	25,02	13,89	8,16	4,25
Пределы измерения высот неровностей, мкм	6,3...63	3,2...18,7	1,6...10	0,8...3,2
Цена деления (к) бара­бана окулярного микро­метра, мкм	0,855	0,465	0,280	0,145

 

3.Деталь установить на столе прибора. Включать прибор в сеть.

4.Маховичком 8 опустить держатель с микроскопами до появ­ления в поле зрения изображения световой щели.

5.Предметный столик повернуть так, чтобы один из микровинтов был направлен параллельно изображению щели, и закрепить стол винтом 1.

6.Медленно вращая винты 8, 14 и кольцо 33, добиться, чтобы изображение щели было в центре поля зрения наиболее резким, а ширина - наименьшей.

7.Окулярный микрометр 4 повернуть так, чтобы одна из нитей перекрестия была параллельна кромке изображения щели (рис. 4), и закрепить его в этом положении винтом.

 

 

Рис. 4. Поле зрения окуляра

 

8.Вращая барабан окулярного микрометра, подвести горизонталь­ную нить перекрестия до касания ее с вершиной выступа неровности изображения щели. В этом положении сделать первый отчет a₁ по шкале окулярного микрометра, причем сотни делений, т.е. обороты барабана, отсчитывать по неподвижной шкале и двойному подвижному указателю, которые видны в поле зрения окуляра. Затем сместить нить перекрестия до касания ее с дном впадины. Выступ и впадина обязательно должны быть по одну сторону изображения щели. В этом положении сделать второй отсчет a₂. Разность отсчетов дает вели­чину неровности в делениях, шкалы барабана окулярного микрометра.

9.Аналогичными приемами измерить ординаты последующих четырех выступов и четырех впадин в пределах выбранной базовой длины l, перемещая предметный столик микровинтом, ось которого параллельна изображению щели.

10.Подсчитать величину параметра R_z, учитывая при этом цену деления (к) барабана окулярного микрометра.

11.Дать обозначение шероховатости поверхности в соответст­вии с рекомендованным рядом (табл. 1) и ГОСТ 2.309-73.

 

3. Определение шероховатости поверхности на интерференционном микроскопе

 

3.1. Устройство прибора

 

Интерференционный микроскоп предназначен для измерения неровностей поверхности высотой от 0,03 до 1 мкм.

Общий вид прибора представлен на рис. 5. При измерениях интерференционный микроскоп устанавливают вдали от источников вибраций на основании 5 с демпфирующей подкладкой. Осветитель 8 включается в сеть через трансформатор. Под углом 70° к вертикальной оси прибора расположен визуальный тубус, на конец которого закрепляется окулярный микрометр 7. Контролируемую деталь 2 кладут исследуемой поверхностью вниз на предметный столик 1, который может перемещаться в двух направлениях посредством микрометрических винтовых устройств 3. Фокусировка осуществляется с помощью накатанной микрометрической головки 4. Интерференционную картину можно сфотографировать с помощью камеры 6.

 

3.2. Оптическая схема и принцип действия прибора

 

Нить лампы 1 (рис. 6) проектируется конденсором 2 в плоскость апертурной диафрагмы 3. Полевая диафрагма 4, расположенная в фокальной плоскости объектива 5, изображается им в бесконечности. Параллельный пучок лучей по выходе из объектива 5 падает на разделительную полупрозрачную пластинку 8, которая делит его на два. Один пучок, отраженный от пластинки 8, собирается в фокусе объектива 7 на измеряемой поверхности 6. Второй пучок, пройдя разделительную пластинку, падает на компенсатор 9 и собирается в фокусе объектива 10 на зеркале 11. Отраженные от зеркала 11 и прове­ряемой поверхности 6 пучки лучей снова проходят объективы 7 и 10 и с помощью полупрозрачной пластины 8 и зеркала 14 направляются на объектив 13, который дает в фокальной плоскости окуляра 12 изображение проверяемой поверхности и систему интерференционных полос на ней. При фотографировании интерференционной картины зеркало 14 выводят из хода лучей и с помощью объектива 15 и зеркала 17 лучи направляют на Фотопленку, помещенную в кадровом окне 16.

Принцип действия прибора основан на интерференции света. В качестве разделяющей системы используется наклонная пластинка, одна из поверхностей которой покрыта полупрозрачным светоделительным слоем. При падении света на такую пластинку половина его отразится, а половина пройдет сквозь пластинку, в результате образуются два когерентных пучка света, или две системы волн, способных интерферировать. Если бы контролируемая поверхность былаидеально гладкой и плоской, то на ней возникли бы прямые параллельные интерференционные полосы. Шаг полос b (расстояние между соседними полосами) для белого света при любом масштабе увеличения соответствует половине длины световой волны микрона. При наличии неровностей на исследуемой поверхности полосы в этих местах искривляются. Высоты неровности Н можно определить, сравнивая ве­личину искривления с шагом полос b по формуле:

 

 

 

Рис. 5. Интерференционный микроскоп

 

Рис. 6. Оптическая схема интерференционного микроскопа

 

3.3. Подготовка прибора и выполнение измерений

 

1. Подготовить деталь для измерения и положить ее на предметный столик прибора наблюдаемой поверхностью вниз (к объективу).

2. Включить освещение. Сфокусировать объектив очень медленным вращением микрометрического винта 4 (рис. 5). В поле зрения должны быть интерференционные полосы.

3. Окулярный микрометр установить на тубус микроскопа до
упора, развернуть так, чтобы одна из нитей перекрестия была направлена вдоль интерференционных полос, и закрепить его.

4. Измерить расстояние между интерференционными полосами 4. Для этого нить перекрестия, которая выровнена вдоль полос, совместить с одной из полос, как показано на рис. 7. Снять отсчет N₁ по шкале барабана окулярного микрометра. Вращением барабана пере­местить нить до соседней полосы и снять отсчет N₂ . Шаг полос в делениях барабана: .

 

Рис. 7. Схема измерения

 

5. Измерить величину изгиба полосы а. Линию перекрестия сначала совместить с впадиной изгиба полосы - снять по барабану отсчет N₃, затем с вершиной изгиба - снять отсчет N₄ . Величина изгиба полосы .

6. Вычислить высоту неровности по формуле:

 

мкм.

 

Для определения R_z необходимо замеры повторить несколько раз и найти среднее арифметическое.

 

4. Контрольные вопросы.

 

1.Объясните смысл понятий: базовая длина, средняя линия, шероховатость. I

2.Какими критериями оценивается шероховатость?

3.Объясните принцип действия и приемы измерения на двойном микроскопе.

4.Объясните принцип действия и приемы намерения на интерференционном микроскопе.

 

Литература

 

1. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. - 5 изд. - М.: Машиностроение, 1979. - 340 с.

2. Дунин-Барковский И.В., Карташова А.Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. - М.: Машиностроение, 1978. - 232 с.

3. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности.