CC BY
44
УДК 621.9.015
Канд. техн. наук П. А. Каморкин Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
ВЫБОР ДЛИНЫ ОЦЕНИВАНИЯ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОФИЛЬНОГО МЕТОДА
Измерение параметров шероховатости производится на длине базовой линии, что приводит к не вполне корректному определению полученных оценок. Рассматриваются проблемы, связанные с использованием базовой длины в профильном методе, и обосновывается необходимость введения понятия минимально достаточного участка измерения.
Ключевые слова: базовая длина, длина оценивания, шероховатость, волнистость, профиль.
Введение
Постановка проблемы. В настоящее время определение геометрических параметров качества поверхности, в основном, производится с использованием ГОСТ 2789-73 [1] и ДСТУ ГОСТ 25142:2009 [2], в которых, нормирование и определение параметров шероховатости предписывается производить на базовой длине (длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности [2]).
Аналогичный подход регламентируется в стандартах ДСТУ ISO 4287-2002 [3] и ДСТУ ISO 4288-2001 [4], определяющих использование профильного метода, позволяющего давать комплексную оценку микро- и макро неровностей поверхностного слоя.
При этом базовая длина призвана служить шаговой границей между шероховатостью («совокупностью неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенная с помощью базовой длины» [1]) и другими видами неровностей [5]. Этого можно достичь, если длина базовой линии будет несколько раз помещаться внутри шага волнистости (см. рис. 1). При увеличении длины базовой линии высотные оценки будут содержать не только величины неровностей шероховатости, но и волнистости. То есть величина базовой длины должна определяться шаговыми параметрами волнистости, а не высотными, что предписано в стандартах [1-4]. Это составляет определённую проблему, так как измерение параметров волнистости в стандартах [1, 2] не предусматривается, а в [3, 4] рассмотрено не достаточно полно.
Рис. 1. Оптимальное положение базовой лини при определении шероховатости
Не случайно, по мнению авторов [5, 6], сам принцип разделения параметров шероховатости и волнистости с помощью стандартного набора значений длин базовых линий (0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8) так и остался не обоснованным и физического смысла не имеет.
Целью статьи является формирование критериев выбора длин участков, необходимых для комплексной оценки геометрических параметров качества поверхностного слоя.
Методика проведения эксперимента. Исследование параметров шероховатости производилась на образцах обработанных цилиндрическим фрезерованием на стенде, имитирующем обработку деталей с различной степенью жесткости [8] (см. рис. 2). Конструкция стенда позволяет изменять длину упругой пластины 2, что приводит к возможности воспроизведения условий фрезерования деталей от жестких до маложестких.
Профилограммы поверхности обработанных образца записывалась на профилографе-профилометре Ка-либр-170311 при скорости трассирования 6 мм/мин на всей длине образца с использованием АЦП мод. Е-140 подключаемого к аналоговому выходу профилографа.
Рис. 2. 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
Рис. 3. Основной профиль исследуемых образцов на длине оценивания: 1, 2, 3, 4, 5 - номера образцов
Сигнал через АЦП передавался на компьютер, в котором запись профилограммы проводится с использованием пакетов «L-Graph» и «Power-Graph».
Обработка профилограмм и определение параметров качества поверхностного слоя выполнено с использованием программного обеспечения, разработанного на кафедре ТМС ЗНТУ
Эксперименты выполняли на образцах из стали Ст. 3 с размерами 50x20x4 мм. Представленные образцы отобраны из более чем 200 проведенных измерений, как типичные представители своих классов чистоты поверхности.
Профилограммы основного профиля, профиля шероховатости, волнистости и формы выполнялись с использованием фильтра Гаусса, имеющего краевой эффект, что оказывает на вид профилограмм в начале и в конце образца существенное влияние [9]. Для исключения чего исследование проводилось на длине оценивания 30 мм, в центре образцов. На рисунке 3 представлены профилограммы длин оценивания исследуемых образцов.
Исследуемые параметры определялись на каждой базовой длине, после чего вычислялось их среднее значение в соответствии с требованиями [2].
Теория и анализ полученных результатов
Длина участка, на котором производится оценка качества поверхности, оказывает существенное влияние на величину исследуемых параметров (см. рис. 4). Из представленного видно, что для всех образцов функции описывающие зависимость Ra от длины оценивания, имеют явно выраженное стремление к пределу. При этом надо иметь в виду, что полученные значения зачастую содержит суммарную оценку всех видов неровностей - отклонения формы, волнистости и шероховатости.
Учитывая оценку применения «стандартной базовой длины» изложенную в [5, 6], как не имеющую физического и естественного обоснования, необходимо ответить на вопрос, какой результат мы получаем, используя традиционный подход. То есть, что входит в значение Яа и другие параметры, измерение которых проводится с использованием базовой длины.
При оценке параметров качества поверхности, в соответствии с требованием стандартов ГОСТ 2789-73 и ДСТУ ГОСТ 25142:2009, длины базовых линий будут: для образцов N° 1, 2 - 8 мм, №2 3 - 2,5 мм, №2 4 - 0,8 мм, № 5 - 0,25 мм. Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что выбранные образцы захватывают широкую область классов чистоты поверхности от 2-го до 9-го. Что позволяет распространить результаты данного исследования на большинство классов чистоты поверхности, полученных лезвийной обработкой.
Расположение базовых линий (см. рис. 5) в разных классах чистоты поверхности приводит к тому, что в получаемые оценки могут входить высоты шероховатости и волнистости одновременно (образцы 1, 2 и 3). В других случаях (образцы 4, 5) только шероховатости. В большинстве случаев рекомендованные стандартами длины базовых линий исключают из оценивания отклонения формы.
Характер неровностей образцов разных классов чистоты поверхности и расположение базовых линий существенно отличается. Что приводит к тому, что в одном случае, в полученных результатах имеется обобщенная оценка шероховатости и волнистости, в другом - оценивается практически только шероховатость. Что не позволяет сравнивать параметры шероховатости, полученные с использованием базовой длины, на образцах разных классов чистоты поверхности. Т. е. возможность сравнения и качественной оценки результатов исследований возможна только в пределах одного или двух соседних классах.
Рис. 4. Влияние длины базовой лини на величину Яа: 1, 2 , 3, 4, 5 - номера образцов
Таблица 1 - Параметры качества поверхности по ГОСТ 2789-73 и ДСТУ ГОСТ 25142:2009
№ образца Класс чистоты Базовая длина Длина оценки Яа, мкм
1 2 8 30 28,35
2 3 8 30 14,00
3 4 2,5 30 5,35
4 6в 0,8 30 1,47
5 9а 0,25 30 0,30
С учетом того, что назначение размера базовой длины [1] производится по высотным параметрам - Яа, Яг, Ятах, можно сделать вывод, что их использование для выбора длины участка, на котором нужно проводить измерение, является некорректным.
В то же время, назначение минимально достаточной длины измерения (т. е. длины, дальнейшее увеличение которой не приводит к существенному изменению полученных результатов, а их разброс не превышает ±3... 5%) является первым и чрезвычайно важным шагом при исследовании параметров качества поверхности.
Использование профильного метода позволяет получать оценку параметров всех видов неровностей (основного профиля, профиля шероховатости, - волнистости и - формы) по результатам одного сканиро-
вания поверхности. Поэтому длина, на которой производится измерение, должна содержать достаточное количество шагов (8т) исследуемых профилей.
Необходимо иметь в виду, что шаг различных видов неровностей будет существенно отличаться.
Наибольшим шагом обладает профиль формы. Причем увеличение длины, на которой производится оценивание, в большинстве случаев ведет к увеличению шага и сопутствующему увеличению значений высотных оценок. То есть, определение параметров профиля формы желательно производить на максимальной длине, которую способен обработать используемый профилограф. Шаг шероховатости многократно укладывается в шаге волнистости. Следовательно, длина участка измерения, применяемая для оценки параметров волнистости, наверняка будет достаточной
-|-1-1-1-1-1-1-1-1-
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
Длина поверхности, им
Рис. 5. Расположение базовых линий при оценке профиля: 1, 2 , 3, 4, 5 - номера образцов
при определении показателей шероховатости.
Результаты проведенных исследований (см. рис. 6, а, б) показывают, что существует две характерных области получаемых значений Яа и Wa.
В первой области, начиная от минимальных длин измерения, получаемые значения оценок возрастают, причем это возрастание может носить как нестабильный, так и устойчивый характер.
Во второй - рост величины Яа и Wa, по мере увеличения длины измерения не происходит, а разброс значений находится, как правило, в небольшом интервале.
Длину оценивания параметров шероховатости и волнистости, соответствующую началу второго участка, можно считать достаточной для проведения корректных и сравнимых с результатами других исследований в широком диапазоне классов чистоты поверхности.
По полученным результатам такая минимально достаточная длина оценивания для волнистости начинается с 10 мм. Использование меньших длин оценивания приводит к получению заниженных результатов (рис. 6, б). Для образцов 1 и 2 разброс значений при этой длине оценивания не превышает ± 3%. Но по мере
увеличения класса чистоты поверхности растет и величина разброса. В значительной мере это связано с уменьшением абсолютных значений средне арифметического отклонения. Наиболее устойчивые результаты получены в диапазоне длин оценивания - 20^30 мм (таблица 2). В этом диапазоне разброс значений Wa для всех образцов не превышает ±2 %.
Для шероховатости (рис. 6, а; таблица 3) начало второго участка в большинстве случаев начинается с длины оценивания 15 мм.
Допустимый разброс средне арифметического отклонения шероховатости, в виду существенно меньших их значений, можно принять равным ±5 %.
Такое значение в большинстве случаев достигается при длине оценки 10-15 мм (табл. 3). А для всех образцов требуемый уровень погрешности обеспечивается на длине оценивания 25-30 мм. Проведение измерений как для оценки шероховатости, так и волнистости приводит к получению заниженных результатов (рис. 6, а, б). Что делает нежелательным применение рекомендованных существующими стандартами длин базовых линий.
Рис. 6. Влияние длины участка измерения на значение средне арифметического отклонения: а - Яа, б - Wa; 1, 2 , 3, 4, 5 - номера образцов
Таблица 2 - Разброс значений средне арифметического отклонения волнистости
Таблица 3 - Разброс значений средне арифметического отклонения шероховатости
Номер образцов
1 2 3 4 5
Шаг волнистости, мм 2,296 1,856 0,6201 1,745 1,342
Длина оценивания, мм Wa, мкм |Д|, % Wa, мкм |Д|, % Wa, мкм |Д|, % Wa, мкм |Д|, % Wa, мкм |Д|, %
0,8 2,581 3,587 3,857 0,9187 0,1849
1 3,289 5,272 4,391 1,289 0,1489
1,5 6,598 9,54 3,967 1,373 0,1236
2 11,31 12,22 4,217 1,633 0,2016
2,5 16,98 12,15 4,715 1,773 0,3665
5 19,28 17,3 11,17 0,4 4,661 13,5 1,186 36,6 0,5905 34,5
10 22,79 2,3 10,92 2,6 4,279 4,2 1,641 12,2 0,7733 28,9
15 23,91 2,5 10,85 3,2 4,379 6,6 1,812 3,1 0,8832 18,7
20 23,50 0,8 11,27 0,5 4,352 5,9 1,914 2,4 0,9844 9,4
25 23,75 1,8 11,07 1,2 4,06 1,2 1,848 1,2 1,093 0,6
30 23,32 0 11,21 1,3 4,108 0 1,87 0 1,087 0,0
Номер образцов
1 2 3 4 5
Длина оценивания, мм Яд, мкм Д, % Яд, мкм Д, % Яд, мкм Д, % Яд, мкм Д, % Яд, мкм Д, %
0,8 1,05 1,27 2,59 0,30 0,11
1,0 2,43 1,60 1,32 0,29 0,11
1,5 3,09 2,61 1,48 0,70 0,19
2,0 3,04 41,1 3,54 13,3 1,46 28,7 0,44 62,0 0,21 54,1
2,5 3,83 25,6 3,69 18,0 2,90 41,4 0,47 59,6 0,24 48,3
5,0 5,17 0,4 3,64 16,6 2,72 32,4 1,18 1,1 0,26 43,1
10 4,90 5,0 3,25 4,1 1,93 5,2 1,23 5,3 0,31 31,3
15 5,42 5,1 3,12 0,2 2,14 4,2 1,15 2,0 0,36 20,9
20 5,36 4,1 3,24 3,7 2,05 0 1,15 1,6 0,39 13,5
25 5,35 3,9 3,09 1,1 2,01 2,0 1,15 1,3 0,45 1,6
30 5,15 0 3,12 0 2,05 0 1,17 0 0,46 0
С точки зрения шаговых показателей, для регулярных [10] профилей (образцы 1, 2) минимально достаточная длина измерения содержит не менее 4-5 шагов WSm. У случайных (нерегулярных) - в минимально достаточную длину укладывается 14-16 шагов WSm (образцы 3-5).
Выводы
Использование рекомендованных длин базовых линий по ГОСТ 2783 при определении параметров шероховатости приводит в одних случаях к одновременному учету в полученных оценках высот как шероховато-
сти, так и волнистости, в других - только шероховатости. При этом результаты измерений являются заниженными.
Для определения участка, на котором проводятся измерения параметров качества поверхности (профилей: шероховатости, волнистости отклонения формы), предлагается использовать термин минимально достаточная длина измерения, определяющий такую длину, увеличение которой не приводит к существенному изменению показателей и обеспечивает их минимальный разброс.
Оценивание параметров качества поверхности следует проводить одним измерением на участке, длина которого не меньше минимально достаточной длины измерения - 10 мм.
Рекомендованная длина оценивания (измерения) 25-30 мм.
Список литературы
1. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. - М. : Стандартинформ, 2005. - 9 с.
2. ДСТУ ГОСТ 25142:2009. Шероховатость поверхности. Термины и определения - Киев: ДЕРЖСТАНДАРТ УКРА1НИ, 2009. - 22 с.
3. ДСТУ ISO 4287-2002. Технические требования к геометрии изделий (GPS). Структура поверхности. Термины, определения и параметры структуры поверхности (ISO 4287:1997, IDT). - Киев : ДЕРЖСТАНДАРТ УКРА1НИ, 2002. - 16 с.
4. ДСТУ ISO 4288-2001. Технические требования к геометрии изделий (GPS). Структура поверхности. Профильный метод. Правила и процедуры оценивания структуры поверхности (ISO 4288:1996, IDT). - Киев: ДЕРЖСТАНДАРТ УКРА1НИ, 2002. - 10 с.
5. Дунин-Барковский И. В. Измерение и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности / Ду-нин-Барковский И. В., Карташова А. Н. - М. : Машиностроение, 1978. - 232 с.
6. Справочник технолога-машиностроителя под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова / 4-е изд. перераб. и доп. -Том 1. - М. : Машиностроение, 1986. - 656 с.
7. ДСТУ 2413-94. Основш норми взаемозамшность Шорстюсть поверхш. Термши та визначення. - Введ. 01.01.1995.
8. Внуков Ю .Н. Стенд для изучения механических колебаний при фрезеровании маложестких деталей при концевом фрезеровании / Внуков Ю.Н., Логоминов В.А., Каморкин П. А. // Резание и инструмент в технологических системах : Межд. научн. техн. сб. - Вип. 80 - Харьков : НТУ «ХПИ», 2011.- С. 32-37.
9. Каморкин П. А. Применение фильтра Гаусса для определения геометрических параметров качества поверхности профильным методом / П. А. Каморкин // Науковi пращ Донецького нацюнального техшчного ушверси-тету. Серiя: Машинобудування i машинознавство. -2013. - Вип. 1(10)'2013. С. 108-115.
10. Хусу А. П. Шероховатость поверхности / Хусу А. П., Витенберг Ю. Р., Пальмов В. . - М. : Наука, 1975. - 344 с.
Одержано 05.12.2014
Каморкш П.А. Виб1р довжини оцшювання при ви]шрюванш мараме1р1в якосп поверхш з використанням мрофшьного методу
При вимiрюваннi параметрiв шорсткостi використовуеться довжина базовое лтП, що призводить до не зовам правильного визначення ii оцiнок. Розглянуто проблеми, пов 'язанi з використанням базовоi довжини в профтьному методi i необхiднiстю впровадження поняття мiнiмально достатньо'1' довжини вимiрювання.
Ключовi слова: базова довжина, довжина оцiнювання, шорстюсть, хвилястiсть, профшь.
Kamorkin P. Choice of estimation length while measuring surface quality parameters using profile method
Roughness parameters measurement performed on the line of sampling lengt, results in not quite correct estimations. The problems associated with use of sampling length in profile method, and necessity of introduction of the minimally sufficient plot measurements concept are observed. are observed.
Key words: sampling length, evaluation length, roughness, roughness, profile.
