Površinska hrapavost je važan tehnički pokazatelj koji odražava mikrogeometrijsku pogrešku površine obradnog dijela i primarna je osnova za provjeru kvalitete površine obradnih dijelova; bez obzira je li razumna ili ne, izravno je povezana s kvalitetom, vijekom trajanja i troškovima proizvodnje obradnih dijelova. Hrapavost površine odnosi se na fino raspoređene mikronepravilnosti na teksturi površine, koja se sastoji od tri elementa: hrapavost, valovitost i oblik.
Usluga računalno numeričke kontrole (CNC) strojne obrade može održavati kontrolu nad tolerancijama dijelova. Što su viši standardi točnosti proizvodne industrije, to je manja vrijednost tolerancije. S druge strane, što je veća tolerancija, to je potrebna šira i niža točnost. Kada su potrebne određene vrijednosti hrapavosti površine, metode naknadne obrade rijetko se koriste. To je zato što je te procese teško upravljati i mogu utjecati na dimenzijsku toleranciju dijela.
Ali, kako se hrapavost površine i razina tolerancije međusobno koreliraju kod CNC obrade? Da biste to znali, nastavite čitati kako biste istražili ovaj odnos. Prije nego što nastavimo, važno je znati metode mjerenja hrapavosti površine.
Metode određivanja hrapavosti
Postoji širok izbor opreme za mjerenje hrapavosti. Ali, evo dvije široke tehnike za određivanje hrapavosti.
- Vrsta kontakta
- Beskontaktni tip
Prijeđimo na dubinsku analizu ovih tehnika. Kontaktni oblik analize u kojem komponenta mjernog uređaja zapravo dodiruje površinu koja se mjeri tijekom eksperimenta. Ali, kod kontaktnog mjerenja, oštar vrh olovke može oštetiti površinu, posebno meke površine. Normalna opterećenja moraju biti dovoljno niska za ova mjerenja tako da kontaktna naprezanja ne premašuju tvrdoću površine koja se testira. Instrumenti s kontaktnom olovkom s elektroničkim pojačanjem danas su najpopularniji. Međunarodna organizacija za standardizaciju (ISO) preporučuje da se tehnika olovke uobičajeno koristi u referentne svrhe.
Beskontaktni optički profiler temeljen na principu dvosnopne optičke interferometrije izumljen je 1983. godine i danas se često koristi za mjerenje glatkih površina u elektroničkom i optičkom sektoru. Mikroskop atomskih sila, koji je u biti nano-profiler koji radi pri ultra niskim opterećenjima, stvoren je 1985. godine. Hrapavost površine može se mjeriti s lateralnom rezolucijom koja varira od mikroskopskih do atomskih skala.
Ova se oprema često koristi u istraživanjima za kvantificiranje hrapavosti izuzetno visoke lateralne rezolucije, posebno nanoskalne hrapavosti. Postoji niz drugih postupaka demonstriranih u laboratoriju, ali nikada nisu komercijalno primijenjeni ili su korišteni u specijaliziranim primjenama. Na temelju uključenog fizičkog principa, klasificirat ćemo različite tehnike u šest kategorija:
Pristupi mehaničkoj iglu, optičkoj, skenirajućoj sondnoj mikroskopiji (SPM), fluidnoj, električnoj i elektronskoj mikroskopiji.
Dakle, kako točno svi ovi procesi funkcioniraju za mjerenje hrapavosti površine? Razgovarajmo o tome detaljno.
Metoda mehaničke igle
Ova tehnika bilježi i pojačava vertikalno kretanje olovke na površini koja se mjeri konstantnom brzinom. Instrument se sastoji od mjerne glave olovke s vrhom olovke i mehanizmom za skeniranje. Snimanje dvodimenzionalnih snimaka u smjeru X uz pomicanje u smjeru Y za 5 m pomoću vodećeg vijka Y. Koristi se za precizno pozicioniranje uzorka i daje trodimenzionalnu sliku.
Optička metoda
Prema studiji, za hrapavost površine koriste se različite optičke metode.
Ukupna procjena može se provesti optičkim mikroskopom, koji daje samo kvalitativne podatke. Geometrijski i fizički pristupi su dvije vrste optičke metodeKonusno seciranje i svjetlosno seciranje su dva geometrijska pristupa. Zrcalne i difuzne refleksije, uzorci pjega i optička interferencija su primjeri fizičkih pristupa.
Metode skenirajuće sondne mikroskopije (SPM)
Skenirajuća sondna mikroskopija (SPM) je skupina opreme temeljene na skenirajućoj tunelskoj mikroskopiji (STM) i mikroskopiji atomskih sila (AFM). Prva tehnika koja se koristi za dobivanje trodimenzionalne slike čvrste površine s atomskom rezolucijom je skenirajuća sondna mikroskopija.
Skenirajuća tunelska mikroskopija (STM)
STM radi na jednostavnoj osnovi. Oštar metalni vrh (jedna elektroda tunelskog spoja) približava se dovoljno blizu površine koja se ispituje (druga elektroda) da struja tuneliranja varira od 0.2 do 10 nA, što se može kvantificirati pri prikladnom radnom naponu (10 mV do 2 V). Na udaljenosti od 0.3 do 1 nm, vrh se skenira preko površine dok se mjeri struja tuneliranja između vrha i površine.
Mikroskopija atomske sile (AFM)
AFM kombinira STM s principima profilera stylusom. Kako bi se u AFM-u uočila blizina vrha uzorku, osjeća se sila između uzorka i vrha, a ne struja tuneliranja. Pomicanjem uzorka pomoću piezoelektričnih skenera dolazi oštar vrh na kraju konzole u kontakt s površinom uzorka. način funkcioniranja poznat je kao "odbojni način rada" ili "kontaktni način rada". Mikroskopija atomskih sila je nanoprofiler koji može raditi s vrlo malim uzorcima. Ovaj pristup određuje hrapavost površine s lateralnom rezolucijom u rasponu od mikroskopskih do atomskih skala. Ova se metoda najčešće koristi za skaliranje hrapavosti s vrlo visokom lateralnom rezolucijom, kao što je nanoskalna hrapavost.
Fluidne metode
Ove se tehnike uglavnom koriste u uslugama za stalne operacije procjene (kontrole kvalitete). Budući da rade bez dodirivanja površine i izuzetno su brze, to daje numeričke podatke koji se mogu empirijski povezati s hrapavošću. Hidrauličke i pneumatske metode mjerenja dvije su najčešće korištene tehnike.
Električna metoda
Ova tehnika koristi kapacitivni pristup temeljen na ideji paralelnog kondenzatora. Kapacitet između dva vodljiva elementa povezan je s njihovom površinom i dielektričnom konstantom medija, ali je obrnuto proporcionalan njihovoj udaljenosti. Prilično je jednostavno izračunati efektivni kapacitet između hrapave površine i diska s glatkom površinom za različite determinističke modele. Zamišlja se kao zbroj niza malih elementarnih površina na različitim visinama. Hrapavost površine utječe na kapacitet između glatke površine diska i površine koja se mjeri. Na temelju ove pretpostavke dostupan je komercijalni instrument. Procesi kontinuiranog pregleda također koriste metodu kapacitivnosti.
Elektronska mikroskopija
I refleksijska i replikacijska elektronska mikroskopija mogu otkriti makroskopske i mikroskopske karakteristike površineMeđutim, imaju dva glavna nedostatka: prvo, teško je dobiti kvantificirane podatke; i drugo, zbog svog intrinzično ograničenog vidnog polja, prikazuju samo nekoliko hrapavosti, dok je važna stvar kod površinskog kontakta to što uključuje ogromne populacije međusobno djelujućih hrapavosti.
Konačni odabir metode mjerenja uvelike ovisi o korisnikovoj primjeni. Metode mjerenja temeljene na zrcalnoj refleksiji, difuznoj refleksiji ili uzorku mrlja koriste se za operacije inspekcije tijekom procesa. Fluidne ili električne tehnologije mogu se koristiti za aktivnosti kontinuirane inspekcije (kontrole kvalitete) koje zahtijevaju minimalne informacije.
Nacionalni standard za toleranciju CNC obrade
Foto Mastarsi on Unsplash
Varijacije se mogu dogoditi zbog raznih uzroka, od materijala dijela do korištenog procesa obrade. Zbog toga se dijelovima tijekom faze projektiranja daju tolerancije obrade - količina dopuštene varijacije u dimenziji dijela.
Dakle, što su tolerancije obrade i zašto su značajne? Nastavite čitati kako biste saznali kako odabrati toleranciju koja se načelo odnosi na CNC obradu.
Svaka značajka na komponenti ima veličinu i geometrijski oblik. Funkcija dijela uključuje ograničenja za varijacije veličine i geometrijskih atributa (oblik, orijentacija i položaj), koja, kada se premaše, oštećuju ovu funkciju. Većina inspektora koristi rješenje minimalne zone za izračun tolerancije oblika, što minimizira maksimalnu pogrešku između podatkovnih točaka i referentne značajke.
Američki nacionalni institut za standarde (ANSI Y14.5M-1982), uspostavio je standardizirani pristup za Nacionalni standard o dimenzioniranju i toleranciji poznat kao Geometrijske dimenzije i tolerancije (standard GD&T Y14.5). Standardizirani pristup za prikazivanje standarda tolerancije na inženjerskim crtežima uspostavljen je kako bi se povećala upotreba specifikacija tolerancija kao komunikacijskog alata.
Kako bi se osiguralo da su aspekti veličine i geometrije svih značajki regulirani, tolerancije na crtežu trebaju biti potpune, tj. ništa se ne smije pretpostavljati ili prepuštati procjeni u radionici ili odjelu za inspekciju. Korištenje općih tolerancija veličine i geometrije olakšava osiguravanje ispunjavanja ovog zahtjeva.
Standardi tolerancije oblika koriste se za reguliranje izvedenih elemenata jer se točke iz izvedenog elementa ne mogu izravno uzorkovati. Ove se točke moraju izračunati pomoću uzorkovanih točaka izvana. Ali kako odabrati toleranciju za CNC obradu?
Pa, geometrijske dimenzije i tolerancije (standard GD&T Y14.5) korisne su dizajnerima i proizvođačima za komunikaciju informacija o tolerancijama. Nažalost, trenutno ne postoji standard za provjeru specifikacije tolerancije.
Kao što je prethodno navedeno, različiti materijali i procesi obrade zahtijevaju različite tolerancije. To znači da tolerancije obrade nisu baš 'standardne'. Međutim, neki proizvođači su uspostavili pravila za specifične primjene.
Neke strojogradnje zahtijevaju tolerancije od kupaca, a ako ih ne dostave, ili će odbiti raditi na komponenti ili će koristiti standardnu toleranciju od, recimo, ±0.005'' (0.127 mm). Tolerancija može biti veća ili manja od 0.005.
Dopuštena geometrijska tolerancija prema ISO 2768
Mjere opreza za toleranciju
Slijedom toga, koje su mjere opreza u vezi s tolerancijama koje treba uzeti u obzir za CNC obradu? Postoje brojni značajni aspekti koje treba uzeti u obzir prilikom izračuna tolerancija. Oni su opisani u nastavku;
- Materijal: Ne postoje dva identična materijala, a neki su lakši za obradu od drugih. Za definiranje tolerancija ključno je ispitati toplinsku stabilnost, tvrdoću, krutost i abrazivnost materijala.
- Tehnika obrade: Budući da su određeni postupci precizniji od drugih, vrsta korištene obrade može imati značajan utjecaj na konačni rezultat.
- Završna obrada i galvanizacija: Tijekom galvanizacije i završne obrade na površinu dijela dodaju se male količine materijala, što može promijeniti dimenzije dijela dovoljno da zahtijeva drugačiju toleranciju.
- Trošak: Tehnika je skuplja ako strogo ograničite toleranciju. Ključno je održavati preciznu toleranciju kako bi se održala isplativost. Ključno je osigurati da je vaša tolerancija precizna, ali ne pretjerano.
Foto Daniel Smyth on Unsplash
Vrste tolerancije
Znate li ASME kategorije različitih vrsta tolerancija za strojnu obradu?
Geometrijsko kotiranje i tolerancija (GD&T) općenito specificira pet vrsta tolerancija:
- Tolerancije oblika: Temeljna geometrijska tolerancija koja diktira oblik dijela.
- Tolerancije za profile: Postavlja granicu oko površine unutar koje se moraju nalaziti sastavni dijelovi površine.
- Tolerancije za orijentaciju: Određuje orijentaciju obrasca u odnosu na referencu.
- Tolerancije lokacije: Označava položaj značajke u odnosu na referencu.
- Odstupanje: Kada se dio rotira oko osi, određuje se fluktuacija odstupanja ciljne značajke.
Hrapavost površine za CNC obradu
Prilikom odabira odgovarajuće hrapavosti površine za vaš projekt potrebno je uzeti u obzir različite elemente. Ovisno o primjeni proizvoda, željenoj trajnosti, hoće li se predmet polirati ili bojati, važnosti točnih dimenzija i proračunu projekta, prosječna hrapavost (Ra) može biti viša ili niža.
Pod istim dimenzijskim tolerancijama, zahtjevi za hrapavost površine njihovih CNC obrađenih dijelova variraju ovisno o stroju. To je pitanje stabilnosti suradnje. Kriteriji za stabilnost i zamjenjivost obrađenih dijelova razlikuju se u dizajnu i izradi mehaničkih dijelova za različite vrste strojeva.
Ali koje su različite vrste strojne obrade i kako možete započeti? Pogledajmo ovo rastuće područje. Sljedeće tri vrste predstavljene su u postojećem priručniku za projektiranje mehaničkih dijelova:
Hrapavost površine kod CNC obrade utječe na interakciju stvorenog objekta s okolinom. Tipična CNC obrada je glatka na dodir s prosječnom hrapavošću (Ra3.2), ali vidljive su linije obrade od alata za rezanje. Većina dijelova može se izraditi s ovom količinom hrapavosti, iako je u nekim slučajevima potrebna glatkija površina. Prilikom razvoja kliznih dijelova, glatkija površina može biti prednost jer smanjuje trenje između dijelova i poboljšava otpornost na habanje.
Prvi se uglavnom koristi u preciznim strojevima koji zahtijevaju visoku razinu stabilnosti prianjanja. Tijekom rada ili nakon kontinuirane montaže, granica trošenja obrađenih dijelova ne smije prelaziti 10% dimenzijske tolerancije dijelova. To se uglavnom koristi na površinama trenja izuzetno važnih strojno obrađenih dijelova, poput unutarnje površine cilindra, vrata vretena preciznih alatnih strojeva, vrata vretena koordinatnih bušilica i preciznijih svrdla koja odgovaraju vrlo specifičnim zahtjevima.
Drugi se koristi u tipičnoj preciznoj opremi koja zahtijeva visoku stabilnost prianjanja, granicu trošenja mehaničkih komponenti od najviše 25% dimenzijske točnosti obrađenog dijela i vrlo bliske kontaktne površine. Strojevi, alati, površine koje rade s kotrljajućim ležajevima, konusne rupe i kontaktne površine koje se kreću prilično velikim brzinama primjeri su njegove primjene.
Treći tip se prvenstveno koristi u općim strojevima gdje granica trošenja mehaničkih dijelova ne smije prijeći 50% vrijednosti dimenzijske tolerancije i nema kontaktnih površina za relativno pokretne dijelove, kao ni uske površine, klinovi i radna površina žljebova za klinove; kontaktna površina s malom relativnom brzinom kretanja, kao i rupa za nosač, čahura, radna površina s rupom za osovinu kotača, reduktor i tako dalje.
Foto Mastarsi on Unsplash
Odnos između hrapavosti i tolerancije
Kako se hrapavost i tolerancija međusobno odnose kod računalno numeričke obrade (CNC)?
Najčešće se koristi hrapavost površine koja je kompatibilna s razinom tolerancije.
Ako su manji zahtjevi za dimenzijsku točnost mehaničkih komponenti, tada je niža vrijednost hrapavosti površine mehaničkih dijelova. Međutim, ne postoji utvrđena funkcionalna veza između njih u normalnim okolnostima. Neki strojevi i instrumenti imaju vrlo glatke zahtjeve za površinom, na primjer; ručke, ručni kotači, sanitarna oprema, strojevi za hranu i mehanički dijelovi s promijenjenom površinom.
To znači da su zahtjevi za hrapavost površine visoki, ali su zahtjevi za dimenzijsku toleranciju niski. U tipičnim okolnostima, razina tolerancije i vrijednost hrapavosti površine CNC obrađenih predmeta sa zahtjevima za dimenzijsku toleranciju imaju razuman odnos.
Prema nekim priručnicima i monografijama za projektiranje mehaničkih komponenti, dostupno je mnogo formula za izračun. One predstavljaju odnos između hrapavosti površine i dimenzijskih tolerancija mehaničkih dijelova. Možete pročitati popis formula kako biste odabrali jednu.
Kada ga stvarno pročitate, primijetit ćete da se ista empirijska formula koristi s različitim vrijednostima. To može izazvati zbunjenost kod ljudi koji imaju vrlo ograničeno znanje u ovom području. Istovremeno, to čini odabir hrapavosti površine u radu s mehaničkim dijelovima složenijim.
Odabir principa tolerancije za CNC stroj
CNC obrada zahtijeva izuzetnu točnost. U ovoj profesiji, čak i milimetri mogu dovesti do velikih pogrešaka. Nažalost, nijedan stroj ne može jamčiti 100-postotnu točnost u svakom trenutku.
Stoga, koji osnovni princip tolerancije treba usvojiti za CNC obradu? Istražimo to zajedno.
Kao što znamo, tolerancija je kontrola ispravnosti CNC obrađenih dijelova. Postoje standardne tolerancije za CNC obrađene predmete kao što su navoji, rezovi i cijevi. Standardne tolerancije potrebne su za numerički upravljane obrađene dijelove za razne primjene. Kada kupac ne odabere razinu tolerancije, većina CNC glodalica pruža ±0.1 mm, što je ujedno i tipičan standard tolerancije CNC obradnih komponenti koji određuje strojarski inženjer. Najčešće svjetske organizacije za standardizaciju koje postavljaju tolerancije CNC obrade su (ISO) Međunarodna organizacija za standardizaciju, (ASME) Američko društvo strojarskih inženjera i druge. Sada ih detaljnije raspravimo.
U osnovi, Međunarodna organizacija za standardizaciju (ISO 2768) standard je podijeljen u dva dijela, od kojih svaki ima za cilj pojednostaviti crteže uspostavljanjem razina preciznosti kao općih pravila:
- Opća tolerancija: Njezine razine opisane su kao f-fino, m-srednje, c-grubo i v-vrlo grubo za linearne i kutne dimenzije.
- Geometrijska tolerancija; Klase tolerancije H, K i L utvrđuju geometrijske tolerancije za značajke s različitim razinama preciznosti.
Kao ilustracija, crtež bi se mogao označiti kao Međunarodna organizacija za standardizaciju ISO 2768-mK, što znači da se mora pridržavati granica tolerancije za klase tolerancije "srednji" 1. dijela i "K" 2. dijela. Crtež možete pojednostaviti uključivanjem specifikacije ISO 2768 i izbjeći navođenje tolerancija za svaku dimenziju i značajku.
Standard se sastoji od općih smjernica jer postoje situacije kada dimenzija dijela zahtijeva užu toleranciju od one definirane normom ISO 2768. Takve su pojave česte, stoga pregledajte naslovni blok crteža za opće zahtjeve tolerancije i zabilježite sve posebne specifikacije dijelova ili zahtjeve projekta.
Budući da Američko društvo strojarskih inženjera (ASME Y14.5) standard specificira simbole, definicije i propise za geometrijsko dimenzioniranje i tolerancije. Svrha standarda je osigurati da su detaljne informacije jasno pružene tijekom cijelog procesa projektiranja i proizvodnje mehaničkih komponenti.
U osnovi govori proizvodnom osoblju i opremi koliko točna i precizna mora biti svaka regulirana značajka dijela. Na inženjerskim crtežima i računalno generiranim trodimenzionalnim čvrstim modelima, geometrijska i dimenzijska tolerancija (GD&T) koristi simbolički jezik koji izražava nominalnu geometriju i njezinu dopuštenu varijaciju.
Tolerancije se odabiru prema proizvodnom procesu. Obično, što je veća tolerancija, to su niži troškovi. Prekomjerno odabir tolerancije nosi rizik potencijalnih i stvarnih kvarova u performansama, pogoršanja usluge, funkcionalne nepoželjnosti i lošeg izgleda. Toleriranje granica je najpraktičniji i široko korišten. Omogućuje proizvoljan odabir tolerancija za lanac mjerenja i osigurava dobro pristajanje, ali ne uzima u obzir troškove proizvodnje.
Standardne metode za određivanje tolerancija ne maksimiziraju izravno troškove i tolerancije. Njihov glavni fokus je definiranje tolerancija kako bi dizajn mogao prvi funkcionirati i, po mogućnosti, biti najjeftiniji.
Donja linija
Slijedom toga, kakav je točno odnos između hrapavosti površine i razine tolerancije kod CNC obrade?
Prosječna tekstura površine dijela mjeri se hrapavošću površine. Najčešće se koristi hrapavost površine koja je kompatibilna s razinom tolerancije. Što su manji zahtjevi za dimenzijsku točnost mehaničkih komponenti, to je niža vrijednost hrapavosti površine mehaničkih dijelova, međutim, u normalnim okolnostima ne postoji trajna funkcionalna veza između njih.
Međunarodna organizacija za standardizaciju (ISO) i Američko društvo strojarskih inženjera (ASME) dvije su najčešće međunarodne organizacije za standardizaciju koje određuju tolerancije CNC obrade. Uobičajena CNC obrada 'kao obrađena' je glatka na dodir s prosječnom hrapavošću (Ra3.2). Ako te tolerancije nisu dostupne, koristi se standardna tolerancija od ± 0.005" (0.127 mm).
