Skrypt - SGP.pdf

(3109 KB) Pobierz
jednak wyróżnić pewne grupy powierzchni, które cechują pewne specyficzne
ich cechy:
4. MOŻLIWOŚCI BADANIA I OPISU CECH ORAZ
WIELKOŚCI CHARAKTERYSTYCZNYCH SGP
METODĄ OPTYCZNĄ
Paweł Karolczak, Hubert Skowronek
4.1. WPROWADZENIE
Celem technik wytwarzania jest wytworzenie elementów o założonych
wymiarach, dokładności kształtowej, chropowatości i właściwościach
eksploatacyjnych. W wyniku działania różnych procesów technologicznych
tworzy się warstwa wierzchnia. Mierzy się ją i bada w celu skontrolowania
i sprawdzenia procesu wytwarzania, a także w celu zrozumienia i przewi-
dzenia właściwości funkcjonalnych powierzchni. Podstawową geometryczną
właściwością warstwy wierzchniej jest struktura geometryczna powierzchni
(SGP), dlatego tak ważna jest sprawdzenie, po procesie wytwarzania, rodzaju
i prawidłowości powstałej struktury. Wśród metod oceny cech i wielkości
charakterystycznych SGP można niewątpliwie wyróżnić metody stykowe
i optyczne.
Celami ćwiczenia jest zapoznanie się najważniejszymi cechami,
wielkościami charakteryzującymi strukturę geometryczną powierzchni oraz
z możliwością wykorzystania metod optycznych do ich opisu.
powierzchnie stykowe i bezstykowe. Te pierwsze to te, które mają kontakt
mechaniczny z inną powierzchnią lub ośrodkiem będącym w stanie
stałym, ciekłym lub gazowym i z ośrodkiem tym współpracują. Doko-
nując dalszego podziału można np. wyróżnić te, które są w styku sztyw-
nym czyli zachodzącym między dwoma ciałami nieodkształcalnymi, oraz
w styku sprężystym zachodzącym między ciałami nieodkształcalnym
i odkształcalnym. Przykładami powierzchni stykowych są wszystkie
powierzchnie pasowane, ale też łopatki turbiny czy powierzchnie śruby
okrętowej. Analogicznie do powierzchni bezstykowych zalicza się te,
które występują w próżni, lub mają kontakt z innym ośrodkiem, ale z nim
nie współpracują np. powierzchnie swobodne wałów czy korpusów.
Powierzchnie obciążone i nieobciążone. Obciążone to te, na których
występują naprężenia mechaniczne wywołane oddziaływaniem sił
zewnętrznych przyłożonych bezpośrednio lub pośrednio (w pewnej
odległości od niej). Dokonując dalszego podziału można wyróżnić te,
które są obciążone statycznie i dynamicznie. Do powierzchni
nieobciążonych zalicza się te, które są poddane oddziaływaniu falowemu
za pomocą fal świetlnych, dźwiękowych, elektromagnetycznych,
cieplnych oraz powierzchnie ozdobne, antykorozyjne – oczywiście w sytu-
acji gdy nie są pod oddziaływaniem sił zewnętrznych.
Powierzchnie ruchome i nieruchome. Ruchome to te, które poruszają się
względem innej powierzchni lub ośrodka z którymi współpracują. Wśród
nich można wyróżnić, te których przemieszczenie względne ma charakter
obrotowy (np. w łożyskach ślizgowych), przesuwny (np. w prowad-
nicach) i obrotowo-przesuwny (np. w prowadnicach walcowych maszyn
i robotów technologicznych). Ponadto ruch względny powierzchni styko-
wych może być ślizgowy lub toczny.
Sformatowano:
Nie Wyróżnienie
4.2. RODZAJE POWIERZCHNI KONSTRUKCYJNYCH
Cechy struktury geometrycznej powierzchni wpływają na właściwości
użytkowe tej powierzchni. Są one także ściśle związane z przeznaczeniem
konstrukcyjnym powierzchni. Ogromna różnorodność powierzchni występu-
jących w budowie maszyn utrudnia ich ścisłą i konkretną klasyfikację. Można
4. MOŻLIWOŚCI BADANIA I OPISU CECH ORAZ WIELKOŚCI CHARAKTERSTYCZNYCH SGP METODĄ OPTYCZNĄ
4.3. STRUKTURA GEOMETRYCZNA POWIERZCHNI
Powierzchnie rzeczywiste nigdy nie są idealne, zawsze wykazują pewne
odstępstwo od nominalnej i zakładanej dokładności. Zespół odstępstw od
powierzchni idealnie gładkiej, odzwierciedlający stan kształtu powierzchni
rzeczywistej określa struktura geometryczna powierzchni. SGP to
przestrzenny układ elementów (punktów) geometrycznych powierzchni
rzeczywistej uwarunkowany kształtem, rozmiarem i rozmieszczeniem
nierówności. Największy wpływ na postać struktury geometrycznej
powierzchni mają ślady po obróbce zarówno ubytkowej jak i nieubytkowej.
W przypadku obróbki skrawaniem czy ściernej na ślady te wpływa głównie
trajektoria wzajemnego ruchu przedmiotu i narzędzia.
Determinowość struktury wiąże się z jej okresowością. Przez pojęcie
okresowości zdeterminowanej rozumie się tę okresowość powierzchni, której
profil określa się w sposób analityczny lub doświadczalny. Powstaje
podczas obróbki narzędziem z określoną geometrią ostrza przy sprzężonej
kinematyce ruchów względnych narzędzia i przedmiotu obrabianego
Okresowość niezdeterminowana (przypadkowa) powstaje w sposób
spontaniczny podczas obróbki narzędziami o niezdefiniowanej geometrii.
Izotropowość struktury występuje wtedy gdy w każdym rozpatrywanym
kierunku występuje taka sama struktura, o tych samych właściwościach. Jest to
jednocześnie idealnie symetryczna struktura względem wszystkich możliwych osi
symetrii.
4.3.1. Cechy
powierzchni
charakterystyczne
struktury
geometrycznej
Struktury geometryczne powierzchni posiadają cztery charakterystyczne
cechy:
– kierunkowość,
– okresowość,
– determinowość,
– izotropowość.
Kierunkowość struktury to wzajemne usytuowanie śladów powstających
na powierzchni w procesie obróbkowym lub fizycznym, w następstwie
czego zostaje utworzona analizowana SGP. Struktury można więc podzielić
na te, które kierunek posiadają (jednokierunkowe lub wielokierunkowe) i te,
które są bezkierunkowe (rys. 4.1; rys. 4.2).
Okresowość struktury to specyficzne ułożenie śladów po obróbce. Jeśli
struktura jest okresowa tzn. że kolejne ślady są położone w stałej, podobnej
odległości od siebie. Jeśli jest nieokresowa takiej zależności nie można
zaobserwować.
2
Rys. 4.1 Kierunkowość SGP oraz przykłady obróbek po których określone rodzaje
kierunkowości powstają
4. MOŻLIWOŚCI BADANIA I OPISU CECH ORAZ WIELKOŚCI CHARAKTERSTYCZNYCH SGP METODĄ OPTYCZNĄ
Rys 4.2 Struktura: a) okresowa jednokierunkowa; b) okresowa
dwukierunkowa; c) okresowa w jednym kierunku i losowaw kierunku do niego
prostopadłym; d) losowa w dwóch kierunkach
Komentarz [PC1]:
Brak oznaczenia a)
Ponadto należy wybrać przykłady
„kolorowe” SGP
4.3.2. Rodzaje struktur geometrycznych powierzchni
Struktury geometryczne powierzchni mogą posiadać dowolną
konfigurację opisanych w rozdziale 4.2.1 cech (rys. 4.3). Wyróżniono z nich
pięć rodzajów struktur geometrycznych powierzchni. Różnią się one znacznie
swoimi właściwościami eksploatacyjnymi, a więc także przeznaczeniem
w budowie maszyn. Wyróżnia się:
– strukturę anizotropową okresową. Powstaje ona w wyniku toczenia,
zarówno zgrubnego jak i wykańczającego oraz wytaczania Powinna
występować
na
powierzchniach
bezstykowych,
najczęściej
nieobciążonych i współpracujących z różnego rodzaju oddziaływaniem
falowym. Na powierzchniach obciążonych struktura anizotropowa
okresowa jest często spotykana w stykach nieruchomych ciał
nieodkształcalnych z ciałami odkształcalnymi (np. w stykach
uszczelniających z podkładką gumową). Dlatego też duża część
elementów w budowie maszyn obrabianych jest ściernie po toczeniu, aby
zmienić strukturę geometryczną powierzchni na bardziej odpowiednią.
Rys.4.3Struktury geometryczne powierzchni i ich cechy
Komentarz [PC2]:
Wpisać w górna
kratkę SGP
–
–
–
Strukturę anizotropową mieszaną. Powstaje ona w wyniku: toczenia,
wytaczania, wiercenia, rozwiercania, nagniatania. Może występować na
powierzchniach stykowych, obciążonych, ruchomych.
Strukturę anizotropową losową. Powstaje po szeroko pojętych obróbkach
ściernych. Dobre właściwości tej struktury sprawiają, że jest ona polecana
na powierzchniach współpracujących, odpowiedzialnych i silnie obcią-
żonych.
Strukturę izotropową losową. Powstaje po obróbkach, które nie dają
kierunkowości struktury czyli po obróbkach erozyjnych, po obróbce
strumieniowo-ściernej. Również odlewy posiadają taką strukturę. Udział
tej struktury w elementach maszyn rośnie w ostatnich latach. Jest to
3
4. MOŻLIWOŚCI BADANIA I OPISU CECH ORAZ WIELKOŚCI CHARAKTERSTYCZNYCH SGP METODĄ OPTYCZNĄ
–
związane z bardzo dobrymi właściwościami tej struktury. Jest ona też
często stosowana w elementach dekoracyjnych.
Strukturę quasi-izotropową. W porównaniu z pozostałymi strukturami
występujedość rzadko i prawie wyłącznie na powierzchniach
optycznych lub dekoracyjnych, zwłaszcza w przemyśle mechaniki
precyzyjnej.
–
–
4.3.3. Wpływ SGP na właściwości użytkowe powierzchni
Struktura geometryczna powierzchni i jej cechy wpływa na właściwości
użytkowe powierzchni, a więc także na pracę wielu urządzeń. Najważniejszy
wpływ rodzaj struktury geometrycznej powierzchni ma na:
– procesy tarcia i zużycia skojarzonych powierzchni tocznych i
ślizgowych np.: zmiana w parze trącej wzajemnej kierunkowości SGP z
równoległej na skrzyżowaną względem siebie powoduje prawie 4-krotne
zmniejszenie zużycia objętościowego powierzchni,
– odkształcenia i wytrzymałość stykową,
– koncentrację naprężeń i wytrzymałość zmęczeniową np.: wytrzymałość
zmęczeniowa płytek szlifowanych z ukierunkowaniem śladów obróbki
wzdłuż osi rozciągania była większa o 50% w porównaniu z płytkami
z poprzecznym ukierunkowaniem śladów obróbki,
– odporność na oddziaływanie korozyjne,
– aktywność drganiową,
– szczelność połączeń i pasowań np.: największą szczelność pasowania
ciasnego zanotowano przy połączeniu szlifowanego wałka ze
szlifowanym otworem, nieco mniejszą przy połączeniu toczonego wałka z
otworem wytoczonym i najmniejszą przy połączeniu toczonego wałka
z przeciąganym otworem,
– wytrzymałość pasowań ciasnych,
– rezystancję stykową,
– stykowe przewodnictwo ciepła,
4
–
–
–
właściwości magnetyczne,
wypromieniowanie, odbicie, pochłanianie i przenikanie fal (świetlnych,
elektromagnetycznych itp.) np.: powstawanie nielicznych zakłóceń
o charakterze losowym na zdeterminowanej powierzchni okresowej
toczonego lustra metalowego wywołuje wzrost rozproszenia odbitego
promienia światła koherentnego do ok.70%,
jakość nanoszenia, przyczepność i wytrzymałość powłok,
mechacenie się nici w przemyśle włókienniczym,
właściwości aero- i hydrodynamiczne np.: wzrost amplitudowych
parametrów SGP w odniesieniu do powierzchni aerodynamicznych
powoduje powstanie miejscowych oderwań strugi gazu i przekształcenie
się przypowierzchniowego strumienia laminarnego w przepływ
turbulentny
z jednoczesnym
gwałtownym
wzrostem
oporu
aerodynamicznego.
4.4. RODZAJE METOD OPTYCZNYCH UMOŻLIWIA-
JĄCYCH OPIS PARAMETRÓW SGP
Metody optyczne pozwalają w dużym stopniu opisać parametry struktury
geometrycznej analizowanego przedmiotu. W metodach tych nośnikiem
informacji o stanie SGP jest światło. Ich główną zaletą jest bezstykowy
pomiar bazujący zazwyczaj na monitorowaniu natężenia światła odbitego od
badanej powierzchni, kąta odbicia lub zmian geometrii wiązki światła.
Głównymi ich zaletami są brak kontaktu z powierzchnią mierzoną oraz duża
rozdzielczość w osi
z
i szybkość pomiaru. Do wad należy natomiast zaliczyć
zależność dokładności, a niekiedy nawet możliwości pomiaru, od
pochłanialności i rozpraszalności światła przez przedmiot badany, słaba
penetracja powierzchni (pomiar zboczy o pochyleniu do 30º), rozpraszanie i
nakładanie się promieni świetlnych powodujące zmniejszenie dokładności
pomiarów. Rozdzielczość pomiaru w płaszczyźnie
XYjest
ograniczona do 0,36
µm (wynika to z natury fal świetlnych) [8].
Komentarz [PC3]:
Co to znaczy?
4. MOŻLIWOŚCI BADANIA I OPISU CECH ORAZ WIELKOŚCI CHARAKTERSTYCZNYCH SGP METODĄ OPTYCZNĄ
Do najpopularniejszych odmian optycznego pomiaru SGP zaliczamy
metody:
przekroju świetlnego;
interferencyjną;
reflektometryczną;
konfokalną;
ogniskowania wiązki światła na powierzchni;
elipsometryczną;
focus stacking.
u świetlnego
4.4.2. Metoda interferencyjna
Wykorzystuje zjawisko interferencji, polegające na użyciu do pomiarów
dwóch wiązek światła, z których jedna odbija się od powierzchni mierzonej,
druga natomiast od powierzchni odniesienia. Obie te wiązki są łączone
poprzez pryzmat, a następnie rejestrowane za pomocą kamery (rys. 4.5).
4.4.1. Metoda przekroju świetlnego
Metoda przekroju świetlnego polega na oświetleniu badanej powierzchni,
za pomocą mikroskopu oświetlającego, pod kątem 45º przez wąską szczelinę.
W mikroskopie obserwacyjnym uzyskujemy obraz szczeliny zdeformowany
przez nierówności badanej powierzchni(rys. 4.4).Na tej podstawie można
wyznaczyć parametry
R
z
i R
m
.
Niemożliwe jest wyznaczenie parametru
R
a
.
Rzadko kiedy możliwe jest objęcie więcej niż jednego odcinka pomiarowego,
trudno zlokalizować też położenie linii średniej.
Rys. 4.5 Schemat działania metody
interferencyjnej
Ry
s.4.4Me
toda
przekroj
Różnica faz obu wiązek
powoduje
wzmocnienie
(w
miejscach
zgodnej fazy) i
wygaszenie (w miejscach o fazie przeciwnej) fal świetlnych. W wyniku tego
zjawiska otrzymujemy obraz badanej powierzchni pokryty prążkami
świetlnymi, zdeformowanymi przez jej nierówności. Odległość pomiędzy
tymi prążkami jest zależna od długości fali świetlnej i wynosi na ogół od 0,02
do 1,5 µm.
5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin