CC BY
40
РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОФИЛЬНОГО МЕТОДА
Введение
Определение геометрических параметров качества поверхности с применением профильного метода в соответствии с ДСТУ ISO 4287-2002 [1] предусматривает разделение основного профиля на профиль шероховатости и профиль волнистости с использованием профильных фильтров (например, фильтра Гаусса) с длиной волны отсечки равной длине базовой линии. Такой подход позволяет выделить профиль шероховатости и получить оценки его геометрических параметров, но является достаточно условным, поскольку как физической, так и теоретически обусловленной границы между шероховатостью и волнистостью, определяемой на основе базовой длины, не существует [2, стр. 97; 3, стр. 9], что приводит к тому, что в полученном профиле шероховатости будет содержаться значительная доля профиля волнистости.
В статье [4] показано, что оценку геометрических параметров как шероховатости, так и волнистости для образцов 2-9-го классов чистоты поверхности, необходимо производить на длине не менее 10 мм и отказаться от понятия базовая длина, но ввести новое определение - минимально достаточная длина измерения.
Кроме того, существующие стандарты ISO [5, 6] предполагают следующий порядок преобразования общего профиля (total profile):
преобразование общего профиля в основной профиль (подавление минимальной длины волны, которую можно считать цифровым шумом измерителя и преобразователя сигнала);
выделение профиля волнистости (из основного);
получение профиля шероховатости вычитанием из основного профиля - профиля волнистости.
Причем, в [1] описывается получение профиля шероховатости с применением профильного фильтра шероховатости. Величину длины волны отсечки Хс берут равной базовой длине. Получение профиля волнистости дается с примечанием, что такая методика отсутствует, и ссылкой на основополагающие стандарты [5, 6], в которых этот вопрос считается в настоящее время неразработанным, а получение профиля формы вообще не рассматривается, хотя понятие профильного фильтра Xf - фильтра наибольшей длины волны существует, т. е. методика получения профиля шероховатости предусмотренная основополагающими стандартами фактически не выполняется.
В то же время основным преимуществом профильного метода является возможность получения геометрических оценок всех профилей (формы, волнистости и шероховатости) по результатам обработки одного трассирования выбранного участка изучаемой поверхности. Но методика, изложенная в существующих стандартах, не позволяет это выполнить.
Основная проблема этих стандартов - использование устаревшего понятия базовой длины. Вторая проблема -отсутствие четкого определения волнистости и профиля формы, как различного рода макрогеометрических отклонений.
Целью статьи является развитие методики профильного метода оценки геометрических параметров качества поверхности всех видов профилей: шероховатости, волнистости, формы
Обработка образцов, выполненных из стали Ст.3 с размерами 50x20x4 мм, проводилась фрезерованием цилиндрической поверхностью концевой фрезы на экспериментальном стенде подробно описанным в [4, 7].
Конструкция стенда (см. рис. 1) позволяет воспроизводить условия фрезерования деталей как жестких, так и маложестких конструкций.
Профилограммы поверхности обработанных образца записывалась на профилографе-профилометре Калибр-170311 при скорости трассирования 6 мм/мин на всей длине образца. с использованием АЦП мод. Е-140.
Преобразование трассированного профиля и определение параметров качества поверхностного слоя выполнено с использованием программного обеспечения, разработанного на кафедре ТМС ЗНТУ
Профилограммы основного профиля, профиля шероховатости и волнистости выполнялись с использованием фильтра Гаусса [8], а профиля отклонения формы с использованием вейвлет-преобразования [9]. Оценка геометрических параметров качества поверхности проводилась в центральной части образца на длине 30-32 мм.
Теория и анализ полученных результатов
С учетом выводов, сделанных выше, представлена методика комплексного исследовании геометрических параметров качества поверхностного слоя, разработанная на кафедре «Технологий машиностроения» ЗНТУ
Исследование качества поверхности образцов проводится в следующей последовательности:
1. Установка образца под щупом прибора.
2. Запись трассированного профиля на всей длине образца.
Рис. 1. Схема стенда для изучения процесса фрезерования деталей с различной жесткостью: 1 - обрабатываемый образец; 2 - упругая пластина; 3 - упругая система деталь - приспособление; 4 - зона резания; 5 - концевая фреза
3. Определение коэффициента усиления:
а) запись трассированного профиля поверхности тестового образца с заданным перепадом высоты неровностей,
б) вычисление коэффициента усиления
ку =
к
где к - перепад высот на тестовом образце; е - величина сигнала в мэВ. 4. Формирование основного профиля исследуемой поверхности.
На трассированном профиле выведенным на экран компьютера обозначаются границы исследуемого участка, которые назначаются таким образом, чтобы удалить зону начала движения щупа и участок схода щупа с образца либо окончания его движения (рис. 2).
Рис. 2. Определение границ профилограммы
На экран выводится профилограмма основного профиля, полученная с использованием профильного фильтра (Я,Б = 0,0025 мм), в принятых границах (см. рис. 3).
5. Определение величины и расположения «длины оценивания», границы которой должные:
а) удалить участки «входа», «выхода» фрезы,
б) исключить «краевой эффект» используемого фильтра.
При этом длина оценивания должна быть не меньше минимально необходимой длины, равной 8-10 мм, причем, наибольшим предпочтением обладают максимально возможные значения из интервала 20-30 мм [4].
В результате формируется «основной» профиль на длине оценивания, (см. рис. 4) и вычисляются его числовые оценки (Ра, Рс, Рг, Р8ш...).
е
I I ] [ I ] [ ] 1 I ]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Длина поверхности, мм
Рис. 3. Профилограмма основного профиля образца
6. Получение профиля формы.
Из основного профиля исследуемой поверхности (см. рис. 4), выделяется профиль формы, представляющий собой колебательную форму с максимальной длиной волны, которую возможно выделить из основного профиля, с шагом сравнимым по своей величине с размером длины оценивания. Он может быть получен с использованием фильтра Гаусса, вейвлет-преобразования либо других фильтров в соответствии с ISO 16610 (см. рис. 5).
При использовании вейвлет-преобразования применяются вейвлеты Добеши (db9 и db10, в степепи N = 15-17). Выделение профиля формы производится в 4 этапа:
1.1. Производится вейвлет-преобразование основного профиля на участке исследования (рис. 3) с применением db9 и N 15 - 17, а также - db10 и N 15 - 17.
Профилограммы для db9 и db10 с полученными оценками геометрических параметров выводятся на экран (см. рис. 6).
1.2. Производится визуальная оценка. В результате для дальнейшей проработки удаляются профилограммы, у которых профиль формы существенно выходит за границы основного профиля или профиль формы представляет колебательную форму с явно не максимальной длиной волны.
1.3. Выбор варианта профиля формы по математическим оценкам геометрических параметров.
10 15 20 25 30 35 40
Длина поверхности, мм
Рис. 4. Основной профиль на длине оценивания
501- i ..............................I....................................i...................................i-...................................i............................---i---------------------- I
10 15 20 25 30 35 40
Длина поверхности, мм
Рис. 5. Профиль формы: 1 - основной профиль, 2 - профиль формы
Для каждого профиля формы определяются оценки геометрических параметров: длина волны - максимальная высота неровностей - средняя высота неровностей - Бе. Рассчитывается средняя высота неровностей 1-го остаточного профиля ^+Я)с и сумма средних высот профиля формы и 1-го остаточного профиля Бе + ^+Я)с = Ее.
Получение 1-го остаточного профиля математически можно представить так:
| 1-й остаточный профиль | = | Основной профиль | - | Профиль формы |
Сумма средних высот (Ес) является оценкой степени информационности профиля формы и 1-го остаточного профиля. При рассмотрении двух или нескольких профилей предпочтение отдается тому, у которого степень информационности выше, т. е. этот профиль несет больше информации в количественной оценке. При этом надо учитывать, что профили формы на большей части своей длины должны располагаться внутри основного профиля. Из представленных профилограмм (рис. 6) по степени информационности можно выбрать 2-й вариант, у которого этот параметр является максимальным и равен 162,4 мм.
1.4. Окончательный выбор профиля формы.
На этом этапе производится сравнение ближайших по степени информативности двух или нескольких вариантов преобразования. Ввиду математических особенностей вейвлет-преобразований выбранный профиль формы на отдельных участках, может располагаться не лучшим образом. В этом случае за окончательный может быть принят ближайший вариант, у которого степень информативности меньше, но не более чем на 10 %, при этом расположение профиля формы выглядит существенно лучше. В ходе окончательного выбора учитываются и другие оценки такие, как длина волны (Кш), соотношение длины волны и средней высот профиля (Р8ш/Рс) и пр.
7. Получение профиля волнистости и шероховатости.
Волнистость рассматривается как макронеровность, занимающая промежуточное положение между профилем формы и профилем шероховатости, формируемая средневолновыми колебательными формами системы СПИД либо формой инструмента. В редких случаях волнистость носит периодический характер, т. е. ее вид похож на синусоиду. Обычно волнистость имеет случайный характер, что связано с постоянным изменением сочетания значительного количества колебательных форм, результат суммирования которых формирует профиль волнистости в каждый момент обработки иначе, чем в предыдущий.
Рис. 6. Основной профиль и профиль формы полученный с помощью вейвлет Добеши ёЬ9 с степенями N 15-17
Профиль волнистости формируется из 1-го остаточного профиля с использованием фильтра Гаусса.
Профиль волнистости, как и остальные профили, является уникальной характеристикой исследуемой поверхности и требует для максимально полного выделения индивидуального определения значения длины волны отсечки (Х'Я') для каждой исследуемой поверхности. В настоящее время при наличии соответствующего математического аппарата и программного обеспечения эту задачу может выполнить компьютер.
Длина волны отсечки выбирается такой, чтобы при ее минимальном значении полученный профиль волнистости отвечал ряду условий:
- отношение шага волнистости ^8ш) к средней высоте ее элементов ^с) должно быть не менее 10 - WSm/Wc > 10;
- максимальная высота профиля волнистости должна быть не менее 10 % максимальной высоты профиля шероховатости (Ш) - Wt > 0,1Ш:.
Работа фильтра Гаусса, как и ряда других, связана с тем, что некоторая часть выделяемой волны остается в остаточном профиле, в нашем случае в профиле шероховатости. Такую волну, заложенную в профиль шероховатости в результате применения выбранного фильтра, можно определить как остаточную волнистость. Параметры остаточной волнистости также должны отвечать следующим критериям:
- отношение шага остаточной волнистости ("8ш2) к средней высоте ее элементов ("с2) должно быть не менее 10 -("8ш2/"с2 > 10);
- максимальная высота профиля остаточной волнистости ("12) должна быть не менее 10 % максимальной высоты профиля шероховатости (Ш2) - "12 > 0,1Ш2);
- средняя высота элементов профиля остаточной волнистости ("с2) должна быть не менее 10-20 % средней высоты элементов профиля волнистости основного профиля ("с) - "с2/"с > 0,10 - 0,2.
Обработка более 200 образцов показала, что последнее условие является определяющим. Для поверхностей имеющих не периодическую волнистость уровень "с2/"с можно увеличить до 20 % для того, чтобы профиль волнистости содержал минимальное количество других колебательных форм. Для периодической волнистости величину "с2/"с можно уменьшить до 10 % (см. рис. 7). В этом случае из профиля шероховатости будет максимально удалена волнистость.
Нахождение необходимого значения длины волны отсечки осуществляется методом последовательного перебора профилей волнистости при последовательно возрастающих значениях Х^7 от 0,1 до 8 с последующим его уточнением до второго знака после запятой. Для каждого полученного профиля вычисляются значения изложенных выше условий. За окончательное принимается последнее значение Х^7 минус 0,01 (предпоследний профиль), то есть значение длины волны отсечки, при котором, волнистость основного профиля сформирована, а волнистость, остающаяся в профиле шероховатости. находится за шаг до выявления.
Рис. 7. Профилограммы и параметры профиля образца: 1 - основной профиль; 2 - профиль формы; 3 - профиль волнистости;
4 - профиль шероховатости
В ходе проведенных исследований установлено, что в подавляющем большинстве случаев величина л№ находится в интервале 0,2-2,7.
Остаточный профиль, полученный после выделения из основного профиля - профилей отклонения формы и волнистости является профилем шероховатости.
Таким образом, сформированы все необходимые профили:
- основной профиль, - профиль отклонения формы, - профиль волнистости, - профиль шероховатости.
По каждому профилю вычисляются необходимые числовые оценки геометрических показателей качества поверхности профилей формы (И, Р8ш...) волнистости ("а, "с, "1, "8ш .) и шероховатости (Ша, Шс, Ш1, ШБш .) и др.
1. Представление полученных профилограмм.
На экран выводится профилограммы основного профиля, профиля формы, профиля волнистости и шероховатости (см. рис. 7) и их оценки, представленные отдельными аннотациями.
Возможность разложить основной профиль на его составляющие позволяет изучить влияние каждого из них на различные эксплуатационные характеристики. Например, влияние опорной длины каждого вида неровностей на износостойкость, используя график относительных опорных длин всех профилей (рис. 8).
Рис. 8. Относительные опорные длины профилей
Выводы
Разработанная методика позволят выделить из трассированного профиля все виды профилей предусмотренных
ДСТУ ISO 4287:2001 и получить числовые оценки их геометрических параметров.
Получена возможность оценки влияния каждого вида неровностей на эксплуатационные характеристики исследуемой поверхности.
Список литературы
1. Технические требования к геометрии изделий (GPS). Структура поверхности. Термины, определения и параметры структуры поверхности (ISO 4287:1997, IDT) : ДСТУ ISO 4287:2002. - [Действительный с 2003-10-01]. - К. : Держстандарт Украины. 2004. - 16 с.
2. Справочник технолога-машиностроителя : в 2 т. / [ред. А. Г Косиловой, Р. К. Мещерякова] : Том 1 - 4-е изд. перераб. т доп. -М. : Машиностроение, 1986. - 656 с.
3. Дунин-Барковский И. В. Измерение и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности / Дунин-Барковский И. В., Карташова А. Н. - М. : Машиностроение, 1978. - 232 с.
4. Каморкин П. А. Выбор длины оценивания при измерении параметров качества поверхности с использованием профильного метода / П. А. Каморкин // Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудувант. - 2014. - № 2. - С. 45-51.
5. Техшчш вимоги до поверхш виробiв (GPS). Структура поверхш. Профшьний метод. Номшальт характеристики контакт-них (щупових) приладiв (ISO 3274:1996)) : ДСТУ ISO 3274-2002. - [Действительный с 2003-10-01]. - К. : Держстандарт Украины. 2003. - 12 с.
6. Geometrical Product Specification (GPS). Surface texture. Profile method. Metrological characteristics of phase correct filters : ISO 11562:1996. - published on. 1996-05-12 1996.
7. Внуков Ю. Н. Стенд для изучения механических колебаний при фрезеровании маложестких деталей при концевом фрезеровании / Ю. Н. Внуков, В. А. Логоминов, П. А. Каморкин // Резание и инструмент в технологических системах. Межд. научн. техн. сб. - 2011. - Вип. 80. - Харьков : НТУ «ХПИ». - С. 32-37.
8. Каморкин П. А. Применение фильтра Гаусса для определения геометрических параметров качества поверхности профильным методом / П. А. Каморкин // Науковi пращ Донецького нащонального техшчного ушверситету. Серiя: Машинобудуван-ня i машинознавство. - 2013. - Вип. 1(10). - Донецьк : ДВНЗ ДНТУ. - С. 108-115.
9. Смоленцев Н. К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB / Н. К. Смоленцев - М. : ДМК Пресс. 2005, - 304 с., ил.
Одержано 12.05.2015
© Канд. техн. наук П.А. Каморкин
Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
Kamorkin P. Development of method of determination of geometrical parameters
of surface quality using with profile method
