Ruvidezza della superficie è un importante indicatore tecnico che riflette l'errore micro-geometrico della superficie della parte di lavorazione ed è la base primaria per l'ispezione della qualità della superficie delle parti di lavorazione; che sia ragionevole o meno, è direttamente correlata alla qualità, alla durata e al costo di produzione delle parti di lavorazione. La rugosità superficiale si riferisce alle micro-irregolarità finemente distanziate sulla trama della superficie, che è composta da tre elementi: rugosità, ondulazione e forma.
Profilo di rugosità superficiale
Il servizio di lavorazione a controllo numerico computerizzato (CNC) può mantenere il controllo sulle tolleranze delle parti. Più elevati sono gli standard di accuratezza del settore manifatturiero, più piccolo è il valore di tolleranza. Maggiore è la tolleranza, d'altro canto, più ampia e bassa è la precisione necessaria. Quando sono richiesti valori particolari di rugosità superficiale, i metodi di post-elaborazione sono raramente utilizzati. Questo perché questi processi sono difficili da gestire e possono influenzare la tolleranza dimensionale della parte.
Ma, come sono correlati tra loro la rugosità superficiale e il livello di tolleranza nella lavorazione CNC? Per saperlo, continua a leggere per esplorare questa relazione. Prima di procedere, è importante conoscere i metodi per la misurazione della rugosità superficiale.
Metodi per determinare la rugosità
È disponibile un'ampia varietà di apparecchiature per la misurazione della rugosità. Ma ecco due ampie tecniche per determinare la rugosità.
- Tipo di contatto
- Tipo senza contatto
Passiamo ad un'analisi approfondita di queste tecniche. Una forma di contatto di analisi in cui un componente del dispositivo di misurazione entra effettivamente in contatto con la superficie da misurare durante l'esperimento. Tuttavia, nella misurazione a contatto, la punta affilata dello stilo può danneggiare la superficie, soprattutto quelle morbide. Per queste misurazioni i carichi normali devono essere sufficientemente bassi in modo tale che le sollecitazioni di contatto non superino la durezza della superficie da testare. Oggi sono molto popolari gli strumenti stilo a contatto con amplificazione elettronica. L'Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione (ISO) consiglia di utilizzare comunemente la tecnica dello stilo come riferimento.
Un profilatore ottico senza contatto basato sul principio dell'interferometria ottica a due raggi inventato nel 1983 e oggi comunemente utilizzato per misurare superfici lisce nei settori elettronico e ottico. Nel 1985 è stato creato un microscopio a forza atomica, che è essenzialmente un nano-profilatore che funziona a carichi ultrabassi. La rugosità superficiale può essere misurata con una risoluzione laterale che varia dalla scala microscopica a quella atomica.
Questa apparecchiatura è spesso utilizzata nella ricerca per quantificare la rugosità a risoluzione laterale estremamente elevata, in particolare la rugosità su scala nanometrica. Esistono numerose altre procedure dimostrate in laboratorio ma mai distribuite commercialmente o che sono state utilizzate in applicazioni specializzate. Sulla base del principio fisico coinvolto, classificheremo le varie tecniche in sei categorie:
Approcci meccanici a stilo, ottici, microscopia a scansione di sonda (SPM), fluidi, elettrici ed elettronici.
Quindi, come funzionano esattamente tutti questi processi per la misurazione della rugosità superficiale? Discutiamolo in dettaglio.
Metodo dello stilo meccanico
Questa tecnica registra e amplifica il movimento verticale dello stilo sulla superficie da misurare a velocità costante. Lo strumento è costituito da una testa di misura con punta dello stilo e da un meccanismo di scansione. Acquisizione di scansioni bidimensionali nella direzione X avanzando di 5 m nella direzione Y con la vite di comando Y. Viene utilizzato per il posizionamento preciso del campione e produce un'immagine tridimensionale.
Metodo ottico
Secondo lo studio, per la rugosità superficiale vengono utilizzati diversi metodi ottici.
La valutazione complessiva può essere eseguita con un microscopio ottico, che fornisce solo dati qualitativi. Gli approcci geometrici e fisici sono di due tipi metodi ottici. La sezione conica e la sezione leggera sono due approcci geometrici. Riflessioni speculari e diffuse, modelli maculati e interferenze ottiche sono esempi di approcci fisici.
Metodi di microscopia con sonda a scansione (SPM).
Le microscopie a scansione di sonda (SPM) sono un gruppo di apparecchiature basate sulla microscopia a tunneling a scansione (STM) e sulla microscopia a forza atomica (AFM). La prima tecnica utilizzata per ottenere un'immagine tridimensionale di una superficie solida con risoluzione atomica è la microscopia a scansione di sonda.
Microscopia a effetto tunnel (STM)
STM funziona in modo semplice. Un punto metallico affilato (un elettrodo della giunzione tunnel) viene portato abbastanza vicino alla superficie da sondare (secondo elettrodo) in modo che la corrente di tunneling vari da 0.2 a 10 nA, quantificabile a una tensione di lavoro conveniente (da 10 mV a 2 V). A una distanza compresa tra 0.3 e 1 nm, la punta viene scansionata su una superficie mentre viene misurata la corrente tunnel tra la punta e la superficie.
Microscopia a forza atomica (AFM)
L'AFM combina l'STM con i principi del profiler dello stilo. Per percepire la vicinanza della punta al campione nell'AFM, viene rilevata la forza tra il campione e la punta anziché la corrente di tunneling. Spostando il campione tramite scanner piezoelettrici, una punta affilata all'estremità di un cantilever entra in contatto con la superficie del campione. Questo modalità di funzionamento è nota come "modalità repulsiva" o "modalità di contatto". La microscopia a forza atomica è un nano-profiler che può lavorare con campioni molto piccoli. Questo approccio determina la rugosità superficiale con una risoluzione laterale che va da scale microscopiche a scale atomiche. Questo metodo è più comunemente usato per scalare la rugosità con una risoluzione laterale molto elevata, come la rugosità su scala nanometrica.
Metodi fluidi
Queste tecniche sono per lo più impiegate in servizio per operazioni di valutazione costante (controllo qualità). Poiché funzionano senza toccare la superficie e sono estremamente rapidi. Ciò fornisce dati numerici che possono essere empiricamente correlati alla rugosità. I metodi di misurazione idraulica e pneumatica sono le due tecniche più utilizzate.
Metodo elettrico
Questa tecnica utilizza l'approccio della capacità basato sull'idea del condensatore parallelo. La capacità tra due elementi conduttori è correlata alla loro area e alla costante dielettrica del mezzo, ma è inversamente proporzionale alla loro separazione. È piuttosto semplice calcolare la capacità effettiva tra una superficie ruvida e un disco con superficie liscia per vari modelli deterministici. È pensata come la somma di un numero di piccole aree elementari a diverse altezze. La rugosità della superficie influisce sulla capacità tra la superficie liscia del disco e la superficie da misurare. Sulla base di questa premessa è disponibile uno strumento commerciale. Anche i processi di ispezione continua utilizzano il metodo della capacitanza.
Microscopio elettronico
Sia la microscopia elettronica a riflessione che quella a replica possono rivelare macroscopici e microscopici caratteristiche superficiali. Tuttavia, presentano due inconvenienti principali: in primo luogo, è difficile ottenere dati quantificabili; e in secondo luogo, a causa del loro campo visivo intrinsecamente limitato, mostrano solo poche asperità, mentre il punto importante riguardo al contatto superficiale è che coinvolge vaste popolazioni di asperità interagenti.
Il metodo di misurazione scelto alla fine dipende fortemente dall'applicazione dell'utente. I metodi di misurazione basati sulla riflessione speculare, sulla riflessione diffusa o sul modello maculato vengono utilizzati per le operazioni di ispezione durante il processo. Le tecnologie fluide o elettriche potrebbero essere impiegate per attività di ispezione continua (controllo qualità) che richiedono informazioni minime.
Standard nazionale per la tolleranza della lavorazione CNC
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Le variazioni possono verificarsi per una serie di cause, che vanno dal materiale della parte al processo di lavorazione utilizzato. Ecco perché alle parti vengono assegnate tolleranze di lavorazione durante la fase di progettazione, ovvero una quantità di variazione ammissibile nelle dimensioni di una parte.
Quindi, cosa sono le tolleranze di lavorazione e perché sono significative? Continua a leggere per scoprire come scegliere la tolleranza che principio si riferisce alla lavorazione CNC.
Ogni caratteristica di un componente ha una dimensione e una forma geometrica. La funzione della parte comporta vincoli relativi alle variazioni di dimensioni e attributi geometrici (forma, orientamento e posizionamento) che, se superati, danneggiano questa funzione. La maggior parte degli ispettori utilizza la soluzione della zona minima per calcolare tolleranze di forma, che riduce al minimo l'errore massimo tra i punti dati e una caratteristica di riferimento.
L'istituto nazionale americano per gli standard (ANSI Y14.5M-1982), ha stabilito un approccio standardizzato per lo standard nazionale su dimensionamento e tolleranza noto come dimensione geometrica e tolleranza (standard GD&T Y14.5). È stato stabilito un approccio standardizzato per mostrare gli standard di tolleranza sui disegni tecnici per aumentare l'uso delle specifiche di tolleranza come strumento di comunicazione.
Per garantire che gli aspetti dimensionali e geometrici di tutte le caratteristiche siano regolamentati, le tolleranze sul disegno dovrebbero essere complete, ovvero nulla dovrebbe essere dato per scontato o lasciato al giudizio in officina o nel reparto di ispezione. L'uso di tolleranze dimensionali e geometriche generali rende più semplice garantire il rispetto di questo requisito.
Gli standard di tolleranza della forma vengono utilizzati per regolare gli elementi derivati poiché i punti della lavorazione derivata non possono essere campionati direttamente. Questi punti devono essere calcolati utilizzando punti campionati dall'esterno. Ma come si può scegliere la tolleranza per la lavorazione CNC?
Bene, la dimensione e la tolleranza geometrica (standard GD&T Y14.5) sono utili per progettisti e produttori per comunicare informazioni sulla tolleranza. Sfortunatamente, attualmente non esiste uno standard per la verifica specifiche di tolleranza.
Come affermato in precedenza, materiali e processi di lavorazione diversi richiedono tolleranze diverse. Ciò significa che le tolleranze di lavorazione non sono esattamente "standard". Tuttavia, alcuni produttori hanno stabilito regole per applicazioni specifiche.
Alcune officine meccaniche richiedono tolleranze da parte dei clienti e, se queste non vengono fornite, si rifiuteranno di lavorare sul componente o utilizzeranno una tolleranza standard, ad esempio, di ±0.005'' (0.127 mm). La tolleranza può essere maggiore o minore di 0.005.
Tolleranza geometrica consentita ISO 2768
Precauzioni per la tolleranza
Di conseguenza, quali sono le precauzioni di tolleranza da considerare per la lavorazione CNC? Ci sono numerosi aspetti significativi da considerare durante il calcolo delle tolleranze. Questi sono discussi di seguito;
- Materiale: non esistono due materiali simili e alcuni sono più facili da lavorare di altri. Per definire le tolleranze, è fondamentale esaminare la stabilità termica, la durezza, la rigidità e l'abrasività del materiale.
- Tecnica di lavorazione: poiché alcune procedure sono più precise di altre, il tipo di lavorazione impiegata può avere un impatto significativo sul risultato finale.
- Finitura e placcatura: piccole quantità di materiale vengono aggiunte alla superficie di una parte durante la placcatura e la finitura, il che può modificare le dimensioni della parte quanto basta per richiedere una tolleranza diversa.
- Costo: la tecnica è più costosa se si limita strettamente la tolleranza. È fondamentale mantenere una tolleranza precisa per rimanere economicamente vantaggiosi. È fondamentale assicurarsi che la tolleranza sia precisa, ma non eccessivamente.
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Tipi di tolleranza
Conosci le categorie ASME con diversi tipi di tolleranza per la lavorazione?
Il dimensionamento e la tolleranza geometrica (GD&T) specifica cinque tipi di tolleranze in generale:
- Tolleranze di forma: tolleranza geometrica fondamentale che determina la forma del pezzo.
- Tolleranze per i profili: imposta un limite attorno a una superficie entro il quale devono essere contenuti i costituenti della superficie.
- Tolleranze per l'orientamento: determinano l'orientamento del modulo rispetto a un riferimento.
- Tolleranze di posizione: indicano la posizione dell'elemento rispetto a un riferimento.
- Run-out: quando una parte viene ruotata su un asse, viene specificata la fluttuazione di run-out della caratteristica di un bersaglio.
Rugosità superficiale per lavorazione CNC
Ci sono vari elementi da considerare quando si sceglie la rugosità superficiale appropriata per il tuo progetto. A seconda dell'applicazione del prodotto, della durevolezza desiderata, se l'articolo sarà lucidato o verniciato, dell'importanza di dimensioni precise e del budget del progetto, la rugosità media (Ra) potrebbe dover essere più alta o più bassa.
Con le stesse tolleranze dimensionali, i requisiti di rugosità superficiale delle loro parti lavorate CNC variano a seconda della macchina. Questo è il problema della stabilità della cooperazione. I criteri per la stabilità e l'intercambiabilità delle parti lavorate variano nella progettazione e nella fabbricazione di parti meccaniche per vari tipi di macchine.
Ma quali sono i diversi tipi di lavorazione e come si può iniziare? Diamo un'occhiata a questo campo in espansione. I seguenti tre tipi sono rappresentati nel manuale di progettazione delle parti meccaniche esistente:
La rugosità superficiale nella lavorazione CNC ha un impatto sul modo in cui l'oggetto creato interagisce con l'ambiente circostante. Una tipica finitura di lavorazione CNC "come lavorata" è liscia al tatto con una rugosità media (Ra3.2), ma sono visibili linee di lavorazione visibili dall'utensile da taglio. La maggior parte delle parti può essere realizzata con questa quantità di rugosità, sebbene in alcuni casi sia necessaria una superficie più liscia. Quando si sviluppano parti scorrevoli, una superficie più liscia potrebbe essere vantaggiosa poiché riduce l'attrito tra le parti e migliora le prestazioni di usura.
Il primo è impiegato principalmente in macchinari di precisione che richiedono un elevato livello di stabilità di adattamento. Durante il servizio o dopo un assemblaggio continuo, il limite di usura delle parti lavorate non deve essere superato 10% della tolleranza dimensionale delle parti. Viene utilizzato principalmente sulle superfici di attrito di parti meccaniche estremamente essenziali, come la superficie interna del cilindro, il collo del mandrino di macchine utensili di precisione, il collo del mandrino di alesatrici a coordinate e punte più precise che soddisfano requisiti molto particolari.
L'altro viene utilizzato in tipiche apparecchiature di precisione che richiedono un'elevata stabilità di adattamento, un limite di usura dei componenti meccanici non superiore a 25% della precisione dimensionale della parte lavorata e una superficie di contatto molto ravvicinata. Macchine, utensili, superfici che lavorano con cuscinetti volventi, fori per perni conici e superfici di contatto che si muovono a velocità piuttosto elevate sono tutti esempi della sua applicazione.
La terza tipologia viene utilizzata principalmente nei macchinari generici dove non deve essere superato il limite di usura delle parti meccaniche 50% del valore di tolleranza dimensionale e non ci sono superfici di contatto per parti mobili relative, così come superfici strette, chiavette e superficie di lavoro delle sedi per chiavette; superficie di contatto con bassa velocità di movimento relativa nonché un foro per staffa, boccola, superficie di lavoro con un foro per l'albero della ruota, riduttore e così via.
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Rapporto b/n Rugosità e Tolleranza
Ora, come si relazionano tra loro rugosità e tolleranza nella lavorazione a controllo numerico computerizzato (CNC)?
La rugosità superficiale compatibile con il livello di tolleranza è quella più comunemente utilizzata.
Se minori sono i requisiti di precisione dimensionale per i componenti meccanici, minore sarà il valore di rugosità superficiale delle parti meccaniche. Tuttavia, in circostanze normali non esiste alcun legame funzionale stabilito tra loro. Alcuni macchinari e strumenti, ad esempio, hanno requisiti di superficie molto lisci; maniglie, volantini, apparecchi sanitari, macchine alimentari e parti meccaniche con superficie modificata.
Ciò significa che i requisiti di rugosità superficiale sono elevati ma i requisiti di tolleranza dimensionale sono bassi. In circostanze tipiche, il livello di tolleranza e il valore di rugosità superficiale degli articoli lavorati a CNC con requisiti di tolleranza dimensionale hanno un rapporto ragionevole.
Secondo alcuni manuali e monografie di progettazione di componenti meccanici, sono disponibili numerose formule di calcolo. Rappresenta il rapporto tra la rugosità superficiale e le tolleranze dimensionali delle parti meccaniche. Puoi leggere l'elenco delle formule tra cui scegliere.
Quando lo leggi davvero. Noterai che la stessa formula empirica viene utilizzata con valori diversi. Potrebbe creare confusione per le persone che hanno una conoscenza molto limitata in questo settore. Allo stesso tempo, rende più complessa la selezione della rugosità superficiale nella lavorazione delle parti meccaniche.
Selezione del principio di tolleranza per la macchina CNC
La lavorazione con controllo numerico computerizzato (CNC) richiede estrema precisione. In questa professione anche i millimetri possono portare a gravi errori. Sfortunatamente, nessuna macchina può garantire sempre una precisione del 100%.
Pertanto, quale principio di tolleranza di base dovrebbe essere adottato per la lavorazione CNC? Esploriamo questa cosa insieme.
Come sappiamo, la tolleranza è il controllo della correttezza delle parti lavorate a CNC. Esistono tolleranze standard per gli articoli lavorati a CNC come filettature, tagli e tubi. Sono richieste tolleranze standard per le parti lavorate a controllo numerico per una varietà di applicazioni. Quando il cliente non seleziona il livello di tolleranza, la maggior parte dei servizi di fresatura CNC fornisce ±0.1 mm, che è anche il tipico standard di tolleranza dei componenti di lavorazione CNC specificato dall'ingegnere meccanico. Le organizzazioni standard più frequenti a livello mondiale che stabiliscono le tolleranze di lavorazione CNC sono (ISO) International Organization for Standardization, (ASME) American Society of Mechanical Engineers e altre. Ora discuteteli in modo approfondito.
Fondamentalmente, l'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO 2768) è suddiviso in due parti, ciascuna delle quali mira a semplificare i disegni stabilendo livelli di precisione come regole generali:
- Tolleranza generale: i suoi livelli sono descritti come f-fine, m-medio, c-grossolano e v-molto grossolano per le dimensioni lineari e angolari.
- Tolleranza geometrica; Le classi di tolleranza H, K e L stabiliscono tolleranze geometriche per elementi con diversi livelli di precisione.
A titolo illustrativo, un disegno potrebbe essere designato come Organizzazione internazionale per la standardizzazione ISO 2768-mK, il che significa che deve rispettare i limiti di tolleranza per le classi di tolleranza "media" della Parte 1 e "K" della Parte 2. È possibile semplificare il disegno includendo la specifica ISO 2768 ed evitare di specificare tolleranze per ogni dimensione e caratteristica.
Lo standard è formato da linee guida generali perché ci sono situazioni in cui una dimensione di una parte richiede una tolleranza più stretta rispetto a quelle definite dalla norma ISO 2768. Tali eventi sono comuni, quindi rivedere il cartiglio del disegno per i requisiti di tolleranza generali e prendere nota di eventuali speciali specifiche delle parti o requisiti del progetto.
Considerando che l'American Society of Mechanical Engineers(ASME Y14. 5) specifica i simboli, le definizioni e le normative di dimensionamento e tolleranza geometrica. Lo scopo dello standard è garantire che le informazioni dettagliate siano fornite in modo chiaro durante tutto il processo di progettazione e produzione dei componenti meccanici.
Fondamentalmente indica al personale di produzione e alle attrezzature quanto accurata e precisa deve essere ogni caratteristica regolamentata della parte. Sui disegni tecnici e sui modelli solidi tridimensionali generati dal computer, la tolleranza geometrica e dimensionale (GD&T) utilizza un linguaggio simbolico che esprime la geometria nominale e la sua varianza ammissibile.
Riquadro di controllo delle funzionalità
Le tolleranze vengono scelte in base al processo produttivo. In genere, maggiore è la tolleranza, minore è il costo. Eccessivo selezione della tolleranza comporta il rischio di interruzioni delle prestazioni potenziali ed effettive, deterioramento del servizio, indesiderabilità funzionale e aspetto scadente. Tolleranza limite è il più pratico e diffuso. Consente la selezione arbitraria delle tolleranze per una catena di misurazioni e garantisce un buon adattamento, ma non tiene conto dei costi di produzione.
I metodi standard per determinare le tolleranze non massimizzano direttamente i costi e le tolleranze. Il loro obiettivo principale è definizione delle tolleranze in modo che il progetto possa funzionare per primo e, preferibilmente, essere il più economico.
La linea di fondo
Di conseguenza, qual è esattamente la relazione tra ruvidità superficiale e livello di tolleranza nella lavorazione CNC?
La consistenza media della superficie di una parte è misurata dalla rugosità superficiale. La rugosità superficiale compatibile con il livello di tolleranza è quella più comunemente utilizzata. Minori sono i requisiti di accuratezza dimensionale per i componenti meccanici, minore è il valore di rugosità superficiale delle parti meccaniche, tuttavia, non esiste alcun collegamento funzionale permanente tra di loro in circostanze normali.
L'International Organization for Standardization (ISO) e l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) sono le due organizzazioni di standardizzazione internazionali più comuni che determinano le tolleranze di lavorazione CNC. Una comune finitura di lavorazione CNC "come lavorata" è liscia al tatto con una rugosità media (Ra3.2). Se queste non sono disponibili, viene utilizzata una tolleranza standard pari a ± 0.005" (0.127 mm).
