http://triblab.teipir.gr 1η Εργαστηριακή Άσκηση Μέτρηση της Τραχύτητας Εργαστήριο Τριβολογίας Α. Μουρλάς Οκτώβριος 2013 Επιφανειακή τοπογραφία Η παρατήρηση της επιφάνειας, ακόμη και σε ατομικό επίπεδο, θα αναδείξει ανωμαλίες της γεωμετρίας της, με τη μορφή διαδοχικών : 1) εξάρσεων και 2) βυθίσεων του ανάγλυφου, το σύνολο των οποίων συνιστά την επιφανειακή τοπογραφία. Επιφανειακή τοπογραφία Μια μηχανολογική, «τεχνητή» επιφάνεια μπορεί να θεωρηθεί ως μια μικρογραφία του ανάγλυφου του «φυσικού στερεού» Γη, που χαρακτηρίζεται από τη συνύπαρξη βουνών, πεδιάδων, κοιλάδων,... Αποκλίσεις από την επιπεδότητα Διεύθυνση Πρόωσης Κοπτικού Άκρου Κυμάτωση Κατατομή (Profile) Τραχύτητα Αποκλίσεις από την επιπεδότητα Σφάλμα μορφής Κυμάτωση Τραχύτητα Αποκλίσεις από την επιπεδότητα Τραχύτητα Η γνώση και ο έλεγχος της τραχύτητας μια επιφάνειας είναι πολύ σημαντικά στοιχεία, τόσο για την πρόβλεψη της διάρκειας ζωής μιας μεταλλικής κατασκευής, όσο και για το μη-καταστροφικό έλεγχό της κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της. Τραχύτητα Προσδιορισμός της τραχύτητας H κατατομή (profile) της επιφάνειας προσδιορίζεται με την ιχνηλάτηση των ανωμαλιών της, με τη χρήση τεχνικών που στηρίζονται σε: • μηχανικά (μηχανικά τραχύμετρα), • ηλεκτρικά (ηλ/μηχανικά τραχύμετρα)ή • οπτικά (οπτικά προφιλόμετρα) φαινόμενα, που λαμβάνουν χώρα κατά τη σάρωση της επιφάνειας σε μια ευθεία. Προσδιορισμός της τραχύτητας Οι ηλεκτρικές μέθοδοι αποδείχθηκαν ως οι πιο εύχρηστες και κατάλληλες για γρήγορη και αξιόπιστη αξιολόγηση της ποιότητας της επιφάνειας, γιατί έχουν την ικανότητα να δώσουν άμεσα : 1. Την καταγραφή της κατατομής και 2. Τις αριθμητικές παραμέτρους της ποιότητας της επιφάνειας (τραχύμετρα). Προσδιορισμός της τραχύτητας Ο στυλίσκος (1) με την προσαρμοσμένη κατάλληλη αδαμάντινη ακίδα (2) ολισθαίνει παράλληλα στην επιφάνεια (3) του αντικειμένου (5). Ακολουθώντας την κατατομή της επιφάνειας, ο στυλίσκος κινείται κατακόρυφα (4) και οι κατακόρυφες μετατοπίσεις του καταγράφονται ως η μετρούμενη (πράσινο χρώμα) κατατομή (6). Τραχύμετρα Οι χρησιμοποιούμενες διατάξεις που μετατρέπουν τις μηχανικές μετατοπίσεις σε ηλεκτρικά σήματα ονομάζονται μορφοτροπείς ή στοιχεία αντίληψης (pick-ups) και ανήκουν σε δύο βασικές κατηγορίες: 1. Διατάξεις διαμόρφωσης φέρουσας συχνότητας. 2. Διατάξεις τάσης ή έντασης. Τραχύμετρα Με κανένα σύστημα οργάνων η κατατομή που προκύπτει από τη μέτρηση δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελεί ακριβή αναπαράσταση της πραγματικής κατατομής της επιφάνειας εξ’ αιτίας : • Ηλεκτρονικού θόρυβου της συσκευής (παράσιτα) • Παραμόρφωσης της μορφής, που προέρχεται από την έλλειψη γραμμικότητας σήματος εισόδου-εξόδου όλων των ηλεκτρονικών οργάνων. • Στις διαστάσεις της ακίδας του στοιχείου αντίληψης με αποτέλεσμα η συσκευή να μην αντιλαμβάνεται ανωμαλίες μικρότερες από την ακτίνα καμπυλότητας της ακίδας. Γεωμετρικοί παράμετροι Οι κατατομές μετρούνται και συγκρίνονται με τη βοήθεια υπολογιζόμενων γεωμετρικών παραμέτρων. Αυτές μπορεί να είναι απλά μέσες αποκλίσεις από κάποια γραμμή αναφοράς ή στατιστικές παράμετροι, όπως συναρτήσεις κατανομής υψών, η συνάρτηση αυτοσυσχετισμού κ.ά. Τραχύμετρο Surtronic 3+ Το συγκεκριμένο όργανο μέτρησης της τραχύτητας βασίζεται στην κοινή αρχή λειτουργίας όλων των ηλεκτρομηχα-νικών τραχυμέτρων που είναι η ιχνηλάτηση των ανωμαλιών της επιφάνειας από μια ευαίσθητη ακίδα /στυλίσκο Τραχύμετρο Surtronic 3+ Τραχύμετρο Surtronic 3+ • Το μετακινούμενο στέλεχος του οργάνου σαρώνει την προς μέτρηση επιφάνεια. • Οι κατακόρυφες κινήσεις της ακίδας/ στυλίσκου μετατρέπονται σε ηλεκτρικό ρεύμα που καταγράφεται σε αναλογικό όργανο. • Εκεί το ηλεκτρικό σήμα «φιλτράρεται» και ενισχύεται. Τραχύμετρο Surtronic 3+ Η σύνδεση του αναλογικού οργάνου με Η/Υ: • επιτρέπει την ψηφιοποίηση του σήματος, • τη γραφική αναπαραγωγή του • τον ταχύ υπολογισμό των χαρακτηριστικών παραμέτρων της γεωμετρίας της επιφάνειας. Μήκος αποκοπής ή ολοκλήρωσης cut-off length Η τοπογραφία μιας επιφάνειας είναι δυνατό να περιλαμβάνει ανωμαλίες εξ’ αιτίας της τραχύτητας, με διαφορετικές αποστάσεις και ύψη κορυφών. Για να πάρουμε μια πραγματική μέτρηση της τραχύτητας αυτής της επιφάνειας είναι απαραίτητο να επιλέξουμε ένα μήκος ολοκλήρωσης αρκετά μεγάλο, έτσι ώστε να περιλαμβάνει ένα πλήρες αντιπροσωπευτικό δείγμα της επιφάνειας. Μήκος αποκοπής ή ολοκλήρωσης cut-off length Evaluation length (Ln) = nLc Surtronic 3+ traversing length (Ltot) = 1/4Lc + Ln Μήκος αποκοπής ή ολοκλήρωσης cut-off length Μήκος αποκοπής ή ολοκλήρωσης cut-off length Κατεργασία Μέση Τραχύτητα Ra (μm) Κατάλληλο μήκος αποκοπής Ln Συνήθης Απόσταση Κορυφών (mm) 0.08 0.25 0.8 2.5 8.0 Υπερλείανση 0.05 – 0.2 9 9 9 Lapping 0.05 – 0.4 9 9 9 Honing 0.1 – 0.8 9 9 Λείανση 0.1 – 1.6 9 9 Τορνίρισμα με διαμάντι 0.1 – 0.4 9 9 Τόρνευση 0.4 – 6.3 9 9 Διάτρηση 0.4 – 6.3 9 9 Διάνοιξη οπής με εκγλύφανον 0.8 – 3.2 9 9 Φρεζάρισμα 0.8 – 6.3 9 9 9 Πλάνισμα 1.6 – 12.5 9 9 9 9 9 Πειραματική διαδικασία Αφού γίνουν οι απαραίτητες ρυθμίσεις και επιλογές για τη μέτρηση της τραχύτητας, πραγματοποιείται η μέτρηση με την ακόλουθη διαδικασία: Πειραματική διαδικασία 1. Η εγκάρσια μονάδα μέτρησης τοποθετείται πάνω στο προς μέτρηση δοκίμιο και η ακίδα αγγίζει την επιφάνεια έτσι ώστε το στέλεχος να είναι παράλληλο με το οριζόντιο επίπεδο. 2. Καταγράφουμε το προφίλ της επιφάνειας και την τιμή της τραχύτητας Rα (ή και Rt), αφού έχουμε επιλέξει το αντίστοιχο μήκος αποκοπής ή ολοκλήρωσης (cut-off length). 1. Πρότυπη επιφάνεια • Σχεδιάζεται η κεντρική γραμμή (central line – CL) της καταγραφής. • Υπολογίζουμε την τραχύτητα Rα. • Σχεδιάζεται η καμπύλη φέρουσας επιφάνειας. 2. Επιφάνεια κατεργ. σε πλάνη Για 20 τυχαία, διαδοχικά και ισαπέχοντα σημεία της καταγραφής: • Υπολογίζουμε την απόσταση (α) της μέσης γραμμής. • Υπολογίζουμε την τραχύτητα Rα. • Σχεδιάζουμε την καμπύλη φέρουσας επιφάνειας 3. Επιφάνεια κατεργ. σε τόρνο 3. Επιφάνεια κατεργ. σε τόρνο 3. Επιφάνεια κατεργ. σε τόρνο