Весьма важным является создание достаточно высокой жесткости приспособлений для крепления заготовок и вспомогательных инструментов для установки режущего инструмента. Например, в случае обработки заготовок на револьверном станке из прутка с закреплением последнего в трехкулачковом самоцентрирующем патроне высота шероховатости обработанной поверхности на 30—40 % выше, чем при зажатии прутка в нормальном цанговом патроне,
имеющем большую поверхность соприкосновения с заготовкой и создающем поэтому большую ее устойчивость. Особенно сильно сказываются вибрации технологической системы на шероховатость обработанной поверхности при тонком растачивании на алмазно-расточных станках. Неравномерность припуска, снимаемого при тонком растачивании, обусловливающая колебание сил резания, также может являться причиной вибрации технологической системы,
увеличивающих шероховатость обработанной поверхности.
Формирование шероховатости поверхности при различных видах механической обработки (фрезеровании, сверлении, шлифовании, доводке и др.)
подчиняется в общем тем же закономерностям, что и при точении.
Характер этих закономерностей видоизменяется в зависимости от изменения соотношения влияния геометрических причин, пластических деформаций и вибраций, связанных с особенностями отдельных видов механической обработки.
9.7 Способы контроля шероховатости
Контроль шероховатости поверхностей осуществляется в основном тремя следующими методами: сравнительный бесконтактный, механический контактный и оптический.
Сравнительный бесконтактный метод основан на сравнении реальной поверхности изделия с образцами шероховатости, которые имеют стандартные значения параметра Ra (ГОСТ 9378-93) и изготавливаются для определенных способов обработки материалов. Контрольные образцы представляют собой набор пластин или образцовых деталей, которые обработаны с определенной шероховатостью. Этот метод является простым и доступным, обеспечивает достаточную достоверность контроля при Ra >1,25 мкм и Rz>10 мкм и широко применяется в цеховых условиях.
Для повышения точности оценки используют сравнительные микроскопы, в которых рядом ставят образец и контролируемую деталь. Вместо образцов шероховатости могут быть применены аттестованные образцовые детали. Этот метод находит применение при единичном производстве изделий. Механический контактный метод предусматривает измерение параметров шероховатости с помощью щуповых приборов (профилографов и профилометров), рис.9.7. Числовые значения параметров шероховатости определяются либо непосредственно по шкале прибора (профилометра), либо по увеличенным изображениям профиля или записанной профилограммы разреза (профилографа). При контактных методах измерения шероховатости поверхности по контролируемой поверхности перемещается алмазная или стальная игла (с радиусом закругления 1÷12 мкм). При этом она осуществляет микроперемещения по направлению своей оси, соответствующие изменению профиля поверхностных неровностей. Эти микроперемещения усиливаются и регистрируются отсчетными устройствами. Профилографы позволяют автоматически получить увеличенную запись микропрофиля поверхности в виде профилограммы.
Рисунок 9.7 – Схема механического контактного метода измерения шероховатости: 1 – объект исследования; 2- дополнительная опора; 3 – алмазная игла; 4 – рычаг; 5 – индуктивный или мехатронный преобразователь; 6 – протяжной механизм; 7 – измерительная схема; 8 – индикатор, градуированный в значениях Ra; 9 – записывающее устройство
Оптический метод представляет собой измерение параметров шероховатости бесконтактными оптическими приборами (двойными микроскопами, микроинтерферометрами и др.). Оптические приборы для измерения параметров шероховатости поверхности (ГОСТ 9847-79) основаны на принципе одновременного преобразования профиля поверхности и предназначены для измерения параметров Rmax, Rz, S по ГОСТ 2789-73. Стандартом устанавливаются следующие типы приборов: ПТС – приборы теневого сечения; ПСС – приборы светового сечения; MOM – микроскопы однообьективные муаровые; МИИ – микроскопы интерференционные, действие которых основано на двухлучевой интерференции света; МПИ – микроскопы-профилометры интерференционные, действие которых основано на интерференции света с образованием полос равного хроматического порядка.
Диапазоны измерений параметров шероховатости для некоторых из указанных типов приборов следующие: ПТС – Rz; Rmax – 40÷320 мкм; S – 0,2÷1,6 мм; МИИ – Rz; Rmax – 0,05÷0,8 мкм; S – 0,002÷0,05 мм; ПСС – Rz; Rmax – 0,5÷40 мкм; МПИ - Rz; Rmах – 0,05÷0,8 мкм; S – 0,002÷0,5 мм; MOM – Rz; Rmax – 0,8÷40 мкм; S – 0,0005÷0,5 мм.
Оптический метод светового сечения позволяет наблюдать в окуляр сильно увеличенный профиль неровностей и, измеряя их с помощью шкал окулярного микрометра, определять Ra и Rz. На этом принципе построены такие приборы как МИС-11, ПСС-2 и др., рис. 9.8.
Рисунок 9.8 – Схема измерения шероховатости методом светового сечения
С помощью двухлучевого интерферометра измеряют разность длин путей двух пучков света, отраженных от разных участков исследуемой поверхности. Оптический прибор реализует рефлектометрический метод измерения в автоматическом режиме, обеспечивая получение интегрального значения высоты неровностей.
Интерферируя друг с другом, пучки лучей образуют темные и светлые полосы, наблюдаемые в окуляр микроскопа. Неокрашенная полоса может быть белой или черной. При небольшом угле наклона плоскости объекта или смещения центра объектива относительно оптической оси в поле зрения окуляра появляются интерференционные полосы. Искривление этих полос соответствует характеру неровностей на поверхности. Глазом легко определяются искривления, равные 0,1 мкм и менее расстояния между полосами.
Основной недостаток оптических приборов – относительно большая трудоемкость измерений. Этого недостатка лишены методы измерения шероховатости с помощью лазера. Наиболее точным и удобным методом измерения шероховатости является метод сдвига частоты излучения. Блок – схема лазерного профилографа с устройством сдвига частоты излучения, работа которого основана на изменении оптической длины измерительного плеча интерферометра с постоянной скоростью, показана на рис. 9.8.
Рисунок 9.9 – Блок – схема лазерного профилографа
Выходное излучение лазера 5 после прохождения телескопической системы 4 направляется на сканирующее устройство, перемещающее сфокусированное излучение лазера вдоль измеряемой поверхности с постоянной скоростью v0. Сканирующее устройство состоит из кубика 3 с отражающей поверхностью и микрообъектива 2, позволяющего сфокусировать лазерный пучок до Ø6-8 мкм. Отраженное от поверхности излучение приобретает доплеровский сдвиг частоты, пропорциональный вертикальной составляющей относительной скорости движения поверхности. Последняя определяется углом подъема освещенного элемента микропрофиля. После вторичного прохождения через сканирующее устройство и резонатор лазера отраженное излучение принимается фотоприемником 6. С выхода фотоприемника электрический сигнал после прохождения через амплитудный ограничитель 7 и узкополосный усилитель 8 попадает на частотный детектор 9. Выходной сигнал частотного детектора подается на интегрирующий усилитель 10, формирующий напряжение, пропорциональное мгновенному значению высот микронеровностей профиля поверхности.
В лазерных профилографах применяют и метод последовательного преобразования фазы. Излучение лазера расщепляется на две части, которые фокусируются объективом на исследуемую поверхность. Отраженные составляющие излучения снова собираются объективом и после фотоэлектронной обработки преобразуются в сигнал, пропорциональный разности длин оптических путей первого и второго пучка. При движении исследуемой поверхности по координате x (или лучей относительно поверхности) и постоянном расстоянии между осями пучков получаемый сигнал пропорционален скорости приращения координаты y.
Рисунок 9.10 – Схема измерения параметров шероховатости методом
последовательного преобразования фазы
Группой сотрудников Орловского государственного технического университета в составе Степанов Ю.С., Афанасьев Б.И., Тиняков А.И., Подзолков М.А. и Бородин И.И. запатентован активный бесконтактный способ измерения шероховатости обрабатываемых поверхностей (патент RU 2183313), позволяющий в отличие от существующих методов измерять шероховатость непосредственно во время обработки. Это позволяет предупреждать появление брака, устанавливать оптимальные режимы при максимальной производительности абразивной и лезвийной обработки, управлять качеством обрабатываемой поверхности.
В последние годы научно-производственными организациями проведена углубленная оптимизация промышленного инструмента по конструкции и составу инструментальных материалов, что позволило значительно расширить традиционный ассортимент лучшими доступными типами инструмента согласно международным стандартам DIN и ISO, с обеспечением требований системы качества ISO 9001:2000.