Overfladeruhed er en vigtig teknisk indikator, der afspejler den mikrogeometriske fejl på bearbejdningsdelens overflade og er det primære grundlag for inspektion af overfladekvaliteten af bearbejdningsdele; uanset om den er rimelig eller ej, er den direkte relateret til bearbejdningsdelenes kvalitet, levetid og produktionsomkostninger. Overfladeruhed refererer til de fint fordelte mikrouregelmæssigheder på overfladeteksturen, som består af tre elementer: ruhed, bølgethed og form.
CNC-bearbejdningstjenester (computer numerical control) kan opretholde kontrol over delenes tolerancer. Jo højere fremstillingsindustriens nøjagtighedsstandarder er, desto mindre er toleranceværdien. Jo større tolerancen derimod er, desto bredere og lavere er den nødvendige nøjagtighed. Når der kræves bestemte overfladeruhedsværdier, anvendes efterbehandlingsmetoder sjældent. Dette skyldes, at disse processer er vanskelige at håndtere og kan påvirke delens dimensionstolerance.
Men hvordan hænger overfladeruhed og toleranceniveau sammen i CNC-bearbejdning? For at vide det, så læs videre for at udforske dette forhold. Før vi går videre, er det vigtigt at kende metoderne til måling af overfladeruhed.
Metoder til bestemmelse af ruhed
Der findes et bredt udvalg af udstyr til ruhedsmåling. Men her er nogle to brede teknikker at bestemme ruhed.
- Kontakt type
- Kontaktløs type
Lad os gå videre til en dybdegående analyse af disse teknikker. En kontaktform for analyse, hvor en komponent i måleinstrumentet faktisk er i kontakt med den overflade, der skal måles, under eksperimentet. Men ved kontaktmåling kan en skarp penspids beskadige overfladen, især bløde overflader. De normale belastninger skal være lave nok til disse målinger, således at kontaktspændingerne ikke overstiger hårdheden af den overflade, der skal testes. Kontaktpeninstrumenter med elektronisk forstærkning er mest populære i dag. Den Internationale Standardiseringsorganisation (ISO) anbefaler, at penteknikken almindeligvis anvendes til referenceformål.
En berøringsfri optisk profiler baseret på princippet om tostråleoptisk interferometri, opfundet i 1983 og nu almindeligvis anvendt til at måle glatte overflader inden for elektronik- og optiksektoren. Et atomkraftmikroskop, som i bund og grund er en nanoprofiler, der opererer ved ultralave belastninger, blev skabt i 1985. Overfladeruhed kan måles med lateral opløsning, der varierer fra mikroskopisk til atomar skala.
Dette udstyr bruges ofte i forskning til at kvantificere ruhed med ekstremt høj lateral opløsning, især ruhed i nanoskala. Der findes en række andre procedurer, der er demonstreret i laboratoriet, men aldrig er blevet anvendt kommercielt, eller som er blevet brugt i specialiserede applikationer. Baseret på det involverede fysiske princip vil vi klassificere de forskellige teknikker i seks kategorier:
Mekanisk stylus-, optisk-, scanning probe-mikroskopi (SPM-), væske-, elektrisk- og elektronmikroskopitilgange.
Så hvordan fungerer alle disse processer præcist til måling af overfladeruhed? Lad os diskutere dette i detaljer.
Mekanisk penmetode
Denne teknik registrerer og forstærker den vertikale bevægelse af pennen på den overflade, der skal måles, med en konstant hastighed. Instrumentet består af et pennehoved med en pennespids og en scanningsmekanisme. Den foretager todimensionelle scanninger i X-retningen, mens der bevæges 5 m i Y-retningen med Y-ledeskruen. Den bruges til præcis prøvepositionering og giver et tredimensionelt billede.
Optisk metode
Ifølge undersøgelsen anvendes forskellige optiske metoder til at måle overfladeruhed.
En samlet vurdering kan udføres med et optisk mikroskop, som kun giver kvalitative data. Geometriske og fysiske tilgange er to typer optiske metoderKonisk sektionering og lyssektionering er to geometriske tilgange. Spejlende og diffuse refleksioner, pletmønstre og optisk interferens er eksempler på fysiske tilgange.
Scanning Probe Microscopy (SPM) metoder
Scanning probe-mikroskopier (SPM) er en gruppe af udstyr baseret på scanning tunneling mikroskopi (STM) og atomkraftmikroskopi (AFM). Den første teknik, der bruges til at få et 3-dimensionelt billede af en fast overflade med atomar opløsning, er scanning probe-mikroskopi.
Skanningstunnelmikroskopi (STM)
STM fungerer på et simpelt grundlag. En skarp metalspids (en elektrode i tunnelforbindelsen) bringes tæt nok på den overflade, der skal undersøges (den anden elektrode), så tunnelstrømmen varierer fra 0.2 til 10 nA, hvilket kan kvantificeres ved en passende arbejdsspænding (10 mV til 2 V). I en afstand på 0.3 til 1 nm scannes spidsen hen over en overflade, mens tunnelstrømmen mellem spidsen og overfladen måles.
Atomkraftmikroskopi (AFM)
AFM'en kombinerer STM'en med stylusprofilerens principper. For at opfatte spidsens nærhed til prøven i AFM'en registreres kraften mellem prøven og spidsen snarere end tunnelstrømmen. Ved at bevæge prøven ved hjælp af piezoelektriske scannere bringes en skarp spids i enden af en cantilever i kontakt med en prøveoverflade. Dette funktionsmåde er kendt som "frastødende tilstand" eller "kontakttilstand". Atomkraftmikroskopi er en nanoprofiler, der kan arbejde med meget små prøver. Denne tilgang bestemmer overfladeruheden med lateral opløsning, der spænder fra mikroskopisk til atomar skala. Denne metode bruges mest almindeligt til at skalere ruhed med en meget høj lateral opløsning, såsom nanoskalaruhed.
Flydende metoder
Disse teknikker anvendes mest til konstant vurdering (kvalitetskontrol). Da de arbejder uden at berøre overfladen og er ekstremt hurtige, giver dette numeriske data, der empirisk kan korrelere med ruhed. De hydrauliske og pneumatiske målemetoder er de to mest anvendte teknikker.
Elektrisk metode
Denne teknik anvender kapacitanstilgangen baseret på den parallelle kondensatoridee. Kapacitansen mellem to ledende elementer er relateret til deres areal og mediets dielektriske konstant, men er omvendt proportional med deres afstand. Det er ret simpelt at beregne den effektive kapacitans mellem en ru overflade og en glat overfladeskive for forskellige deterministiske modeller. Den betragtes som summen af et antal små elementarealer i varierende højder. Overfladeruhed påvirker kapacitans mellem en glat skiveoverflade og den overflade, der skal måles. Baseret på denne præmis er et kommercielt instrument tilgængeligt. Kontinuerlige inspektionsprocesser anvender også kapacitansmetoden.
Elektronmikroskopi
Både refleksions- og replikaelektronmikroskopi kan afsløre makroskopiske og mikroskopiske overfladeegenskaberDe har dog to væsentlige ulemper: for det første er kvantificerbare data vanskelige at indhente; og for det andet viser de på grund af deres iboende begrænsede synsfelt kun få asperiteter, hvorimod det vigtige punkt ved overfladekontakt er, at det involverer store populationer af interagerende asperiteter.
Den målemetode, der i sidste ende vælges, afhænger i høj grad af brugerens anvendelse. Målemetoder baseret på spejlende refleksion, diffus refleksion eller pletmønster anvendes til inspektion i processen. Væske- eller elektriske teknologier kan anvendes til kontinuerlig inspektion (kvalitetskontrol), der kræver minimal information.
National standard for CNC-bearbejdningstolerance
Photo by Masters on Unsplash
Variationer kan forekomme på grund af en række forskellige årsager, lige fra delens materiale til den anvendte bearbejdningsproces. Derfor får dele bearbejdningstolerancer gennem hele designfasen – en mængde tilladt variation i en dels dimension.
Så hvad er bearbejdningstolerancer, og hvorfor er de vigtige? Fortsæt med at læse for at finde ud af, hvordan man vælger tolerance, hvilket princip er relevant for CNC-bearbejdning.
Enhver funktion på en komponent har en størrelse og en geometrisk form. Delens funktion involverer begrænsninger for variationer i størrelse og geometriske attributter (form, orientering og placering), som, når de overskrides, skader denne funktion. De fleste inspektører bruger minimumszoneløsningen til at beregne formtolerancer, hvilket minimerer den maksimale fejl mellem datapunkter og en referencefunktion.
Det amerikanske nationale standardiseringsinstitut (ANSI Y14.5M-1982) etablerede en standardiseret tilgang til den nationale standard for dimensionering og tolerancer, kendt som geometrisk dimensionering og tolerancer (GD&T Y14.5-standard). En standardiseret tilgang til at vise tolerancestandarder på tekniske tegninger er etableret for at øge brugen af tolerancespecifikationer som et kommunikationsværktøj.
For at sikre, at aspekterne vedrørende størrelse og geometri for alle elementer er reguleret, skal tolerancerne på tegningen være fuldstændige, dvs. intet bør antages eller overlades til vurdering i værkstedet eller inspektionsafdelingen. Brugen af generelle størrelses- og geometritolerancer gør det lettere at sikre, at dette krav er opfyldt.
Formtolerancestandarder bruges til at regulere de afledte elementer, fordi punkter fra den afledte funktion ikke kan samples direkte. Disse punkter skal beregnes ved hjælp af samplede punkter udefra. Men hvordan kan man vælge tolerance til CNC-bearbejdning?
Nå, den geometriske dimension og tolerance (GD&T Y14.5 Standard) er nyttig for designere og producenter til at kommunikere toleranceoplysninger. Desværre er der i øjeblikket ingen standard til verificering af tolerance specifikationer.
Som tidligere nævnt kræver forskellige materialer og bearbejdningsprocesser forskellige tolerancer. Det betyder, at bearbejdningstolerancer ikke ligefrem er 'standard'. Nogle producenter har dog etableret regler for specifikke anvendelser.
Nogle maskinværksteder kræver tolerancer fra kunderne, og hvis disse ikke oplyses, vil de enten nægte at arbejde på komponenten eller bruge en standardtolerance på f.eks. ±0.005'' (0.127 mm). Tolerancen kan være større eller mindre end 0.005.
ISO 2768 Tilladt geometrisk tolerance
Toleranceforholdsregler
Hvilke toleranceforholdsregler bør derfor tages i betragtning ved CNC-bearbejdning? Der er adskillige vigtige aspekter at overveje ved beregning af tolerancer. Disse diskuteres nedenfor;
- Materiale: Der findes ikke to materialer, der er ens, og nogle er lettere at arbejde med end andre. For at definere tolerancer er det afgørende at undersøge materialets varmestabilitet, hårdhed, stivhed og slidstyrke.
- Bearbejdningsteknik: Fordi visse procedurer er mere præcise end andre, kan den anvendte type bearbejdning have en betydelig indflydelse på det endelige resultat.
- Færdigbehandling og belægning: Små mængder materiale tilsættes overfladen af en del under belægning og færdigbehandling, hvilket kan ændre delens dimensioner lige akkurat nok til at nødvendiggøre en anden tolerance.
- Omkostninger: Teknikken er dyrere, hvis du begrænser tolerancen strengt. Det er afgørende at opretholde en præcis tolerance for at forblive omkostningseffektiv. Det er afgørende at sikre, at din tolerance er præcis, men ikke overdrevent præcis.
Photo by Daniel Smyth on Unsplash
Typer af tolerance
Kender du ASME-kategoriernes forskellige typer tolerancer til bearbejdningsformål?
Geometrisk dimensionering og tolerance (GD&T) specificerer fem typer tolerancer generelt:
- Formtolerancer: En grundlæggende geometrisk tolerance, der dikterer delens form.
- Tolerancer for profiler: Sætter en grænse omkring en overflade, inden for hvilken overfladens bestanddele skal være indeholdt.
- Tolerancer for orientering: Bestemmer formens orientering i forhold til en reference.
- Placeringstolerancer: Angiver funktionens position i forhold til en reference.
- Runout: Når en del roteres på en akse, specificeres runout-udsvinget for et måls funktion.
Overfladeruhed til CNC-bearbejdning
Der er forskellige elementer at overveje, når du vælger den passende overfladeruhed til dit projekt. Afhængigt af produktets anvendelse, den ønskede holdbarhed, om emnet skal poleres eller males, vigtigheden af nøjagtige dimensioner og projektets budget, kan den gennemsnitlige ruhed (Ra) være nødvendig at være højere eller lavere.
Under de samme dimensionstolerancer varierer kravene til overfladeruhed på deres CNC-bearbejdningsdele afhængigt af maskinen. Dette er spørgsmålet om samarbejdets stabilitet. Kriterierne for stabilitet og udskiftelighed af bearbejdede dele varierer i design og fremstilling af mekaniske dele til forskellige maskintyper.
Men hvad er de forskellige typer bearbejdning, og hvordan kan du komme i gang? Lad os se nærmere på dette voksende felt. Følgende tre typer er repræsenteret i den eksisterende manual til design af mekaniske dele:
Overfladeruhed i CNC-bearbejdning har indflydelse på, hvordan det skabte objekt interagerer med sine omgivelser. En typisk 'som bearbejdet' CNC-bearbejdningsfinish er glat at røre ved med en gennemsnitlig ruhed (Ra3.2), men synlige bearbejdningslinjer fra skæreværktøjet er synlige. De fleste dele kan fremstilles med denne mængde ruhed, selvom en glattere overflade i nogle tilfælde er nødvendig. Ved udvikling af glidende dele kan en glattere overflade være fordelagtig, da det reducerer friktion mellem delene og forbedrer slidstyrken.
Den første anvendes mest i præcisionsmaskiner, der kræver en høj grad af pasformsstabilitet. Under service eller efter kontinuerlig montering må slidgrænsen for bearbejdede dele ikke overstige 10% af delenes dimensionstolerance. Dette anvendes mest på friktionsfladerne på ekstremt vigtige bearbejdede dele, såsom cylinderens indre overflade, spindelhalsen på præcisionsværktøjsmaskiner, spindelhalsen på koordinatboremaskiner og mere præcise bor, der opfylder meget specifikke krav.
Den anden bruges i typisk præcisionsudstyr, der kræver høj pasformsstabilitet, en slidgrænse for mekaniske komponenter på højst 25% af den bearbejdede dels dimensionsnøjagtighed og en meget tæt kontaktflade. Maskiner, værktøjer, overflader, der arbejder med rullelejer, koniske pinholes og kontaktflader, der bevæger sig med ret høje hastigheder, er alle eksempler på dens anvendelse.
Den tredje type anvendes primært i almindelige maskiner, hvor slidgrænsen for mekaniske dele ikke må overstige 50% af den dimensionelle toleranceværdi, og der er ingen kontaktflader for relative bevægelige dele, ligeledes tætte overflader, kiler og kilehullers arbejdsflade; kontaktflade med lav relativ bevægelseshastighed samt et beslaghul, bøsning, arbejdsflade med et hul til hjulakslen, reduktionsgear osv.
Photo by Masters on Unsplash
Forhold sort/hvid ruhed og tolerance
Hvordan hænger ruhed og tolerance nu sammen i CNC-bearbejdning (computer numeric control)?
Den overfladeruhed, der er kompatibel med toleranceniveauet, er den mest almindeligt anvendte.
Hvis kravene til dimensionsnøjagtighed for mekaniske komponenter er mindre, skal overfladeruheden på de mekaniske dele sænkes. Der er dog ingen etableret funktionel forbindelse mellem dem under normale omstændigheder. Nogle maskiner og instrumenter har krav til meget glatte overflader, for eksempel håndtag, håndhjul, sanitetsudstyr, fødevaremaskiner og mekaniske dele med en ændret overflade.
Det betyder, at kravene til overfladeruhed er høje, men kravene til dimensionstolerance er lave. Under typiske omstændigheder er der et rimeligt forhold mellem toleranceniveauet og overfladeruhedsværdien for CNC-bearbejdningsemner med krav til dimensionstolerance.
Ifølge nogle designmanualer og monografier til mekaniske komponenter findes der mange beregningsformler. De repræsenterer forholdet mellem overfladeruhed og dimensionstolerancer for mekaniske dele. Du kan læse formellisten og vælge imellem den.
Når du rent faktisk læser det, vil du bemærke, at den samme empiriske formel bruges med forskellige værdier. Det kan forårsage forvirring for folk, der har meget begrænset viden på dette område. Samtidig gør det valget af overfladeruhed i arbejdet med mekaniske dele mere komplekst.
Valg af toleranceprincip for CNC-maskine
CNC-bearbejdning (Computer Numerical Control) kræver ekstrem præcision. I dette erhverv kan selv millimetermålinger føre til store fejl. Desværre kan ingen maskine garantere 100 procents nøjagtighed hele tiden.
Hvilket grundlæggende toleranceprincip bør derfor anvendes til CNC-bearbejdning? Lad os udforske dette sammen.
Som vi ved, er tolerance kontrol af korrektheden af CNC-bearbejdede dele. Der er standardtolerancer for CNC-bearbejdede emner såsom gevind, snit og rør. Standardtolerancer er påkrævet for numerisk styrede bearbejdede dele til en række forskellige anvendelser. Når kunden ikke vælger toleranceniveauet, tilbyder de fleste CNC-fræsningstjenester ±0.1 mm, hvilket også er den typiske tolerancestandard for CNC-bearbejdningskomponenter, der er specificeret af maskiningeniøren. De hyppigste globale standardorganisationer, der fastsætter CNC-bearbejdningstolerancer, er (ISO) International Organization for Standardization, (ASME) American Society of Mechanical Engineers og andre. Diskuter dem nu i dybden.
Grundlæggende set Den Internationale Standardiseringsorganisation (ISO 2768) standarden er opdelt i to dele, som hver især har til formål at forenkle tegninger ved at fastsætte præcisionsniveauer som generelle regler:
- Generel tolerance: Dens niveauer er beskrevet som f-fin, m-medium, c-grov og v-meget grov for lineære og vinkeldimensioner.
- Geometrisk tolerance; Toleranceklasserne H, K og L fastlægger geometriske tolerancer for elementer med forskellige præcisionsniveauer.
Som illustration kunne en tegning betegnes som Den Internationale Standardiseringsorganisation ISO 2768-mK, hvilket betyder, at den skal overholde tolerancegrænserne for del 1's "medium" og del 2's "K" toleranceklasser. Du kan forenkle din tegning ved at inkludere ISO 2768-specifikationen og undgå at specificere tolerancer for hver dimension og funktion.
Standarden er dannet af generelle retningslinjer, fordi der er situationer, hvor en dimension af en del kræver en strammere tolerance end dem, der er defineret i ISO 2768. Sådanne hændelser er almindelige, derfor bør du gennemgå tegningens titelblok for generelle tolerancekrav, og notere eventuelle særlige delspecifikationer eller projektkrav.
I betragtning af at American Society of Mechanical Engineers (ASME Y14.5) standarden specificerer symboler, definitioner og regler for geometriske dimensioner og tolerancer. Standardens formål er at sikre, at detaljerede oplysninger gives tydeligt i hele design- og fremstillingsprocessen for mekaniske komponenter.
Det fortæller grundlæggende produktionspersonalet og -udstyret, hvor nøjagtig og præcis hver reguleret funktion i delen skal være. På tekniske tegninger og computergenererede tredimensionelle solide modeller bruger Geometric and Dimensions Tolerance (GD&T) et symbolsk sprog, der udtrykker nominel geometri og dens tilladte varians.
Tolerancer vælges i henhold til produktionsprocessen. Typisk gælder det, at jo højere tolerancen er, desto lavere er omkostningerne. Overdreven tolerancevalg indebærer risiko for potentielle og faktiske ydeevnenedbrud, forringelse af tjenesten, funktionelle mangler og dårligt udseende. Grænsetolerance er den mest praktiske og udbredte. Den giver mulighed for vilkårlig valg af tolerancer for en kæde af målinger og sikrer en god pasform, men den tager ikke højde for produktionsomkostninger.
Standardmetoderne til bestemmelse af tolerancer maksimerer ikke direkte omkostninger og tolerancer. Deres hovedfokus er definere tolerancer så designet kan fungere først og helst være det billigste.
Bundlinjen
Hvad er derfor præcist forholdet mellem overfladeruhed og toleranceniveau i CNC-bearbejdning?
Den gennemsnitlige tekstur af en dels overflade måles ved overfladeruhed. Den overfladeruhed, der er kompatibel med toleranceniveauet, er den mest almindeligt anvendte. Jo mindre kravene til dimensionsnøjagtighed for mekaniske komponenter er, desto lavere er overfladeruhedsværdien for de mekaniske dele, men der er ingen permanent funktionel forbindelse mellem dem under normale omstændigheder.
Den Internationale Standardiseringsorganisation (ISO) og American Society of Mechanical Engineers (ASME) er de to mest almindelige internationale standardorganisationer, der bestemmer tolerancer for CNC-bearbejdning. En almindelig 'som bearbejdet' CNC-bearbejdningsfinish er glat at røre ved med en gennemsnitlig ruhed (Ra3.2). Hvis disse ikke er tilgængelige, anvendes en standardtolerance på ± 0.005" (0.127 mm).
