Kekasaran permukaan merupakan penunjuk teknikal penting yang mencerminkan ralat mikro-geometri permukaan bahagian pemesinan dan merupakan asas utama untuk memeriksa kualiti permukaan bahagian pemesinan; sama ada munasabah atau tidak, ia berkaitan secara langsung dengan kualiti, hayat perkhidmatan dan kos pengeluaran bahagian pemesinan. Kekasaran permukaan merujuk kepada ketakteraturan mikro yang terjaring halus pada tekstur permukaan, yang terdiri daripada tiga unsur: kekasaran, kealunan, dan bentuk.
Perkhidmatan pemesinan kawalan berangka komputer (CNC) dapat mengekalkan kawalan ke atas toleransi bahagian. Semakin tinggi piawaian ketepatan industri pembuatan, semakin kecil nilai toleransi. Sebaliknya, semakin besar toleransi, semakin luas dan rendah ketepatan yang diperlukan. Apabila nilai kekasaran permukaan tertentu diperlukan, kaedah pemprosesan pasca jarang digunakan. Ini kerana proses ini sukar diurus dan boleh mempengaruhi toleransi dimensi bahagian.
Tetapi, bagaimanakah kekasaran permukaan dan tahap toleransi berkait antara satu sama lain dalam pemesinan CNC? Untuk mengetahui, teruskan membaca untuk meneroka hubungan ini. Sebelum kita meneruskan, adalah penting untuk mengetahui kaedah pengukuran kekasaran permukaan.
Kaedah Menentukan Kekasaran
Terdapat pelbagai jenis peralatan yang tersedia untuk pengukuran kekasaran. Tetapi, berikut adalah dua teknik yang luas untuk menentukan kekasaran.
- Jenis kenalan
- Jenis tanpa sentuhan
Mari kita beralih kepada analisis mendalam tentang teknik-teknik ini. Satu bentuk analisis sentuhan di mana komponen peranti pengukuran sebenarnya bersentuhan dengan permukaan yang hendak diukur semasa eksperimen. Tetapi, dalam pengukuran jenis sentuhan, hujung stylus yang tajam boleh merosakkan permukaan, terutamanya permukaan lembut. Beban biasa mestilah cukup rendah untuk pengukuran ini supaya tegasan sentuhan tidak melebihi kekerasan permukaan yang hendak diuji. Instrumen stylus jenis sentuhan dengan amplifikasi elektronik paling popular pada masa kini. Pertubuhan Standardisasi Antarabangsa (ISO) mengesyorkan agar teknik stylus biasa digunakan untuk tujuan rujukan.
Profiler optik tanpa sentuhan berdasarkan prinsip interferometri optik dua pancaran yang dicipta pada tahun 1983 dan kini biasa digunakan untuk mengukur permukaan licin dalam sektor elektronik dan optik. Mikroskop daya atom, yang pada asasnya merupakan profiler nano yang beroperasi pada beban ultra rendah, telah dicipta pada tahun 1985. Kekasaran permukaan boleh diukur dengan resolusi lateral yang berbeza-beza daripada skala mikroskopik hingga atom.
Peralatan ini sering digunakan dalam penyelidikan untuk mengukur kekasaran resolusi lateral yang sangat tinggi, terutamanya kekasaran skala nano. Terdapat beberapa prosedur lain yang ditunjukkan di makmal tetapi tidak pernah digunakan secara komersial, atau yang telah digunakan dalam aplikasi khusus. Berdasarkan prinsip fizikal yang terlibat, kami akan mengklasifikasikan pelbagai teknik kepada enam kategori:
Pendekatan mikroskopi stylus mekanikal, optik, prob pengimbasan (SPM), bendalir, elektrik dan elektron.
Jadi, bagaimana sebenarnya semua proses ini berfungsi untuk pengukuran kekasaran permukaan? Mari kita bincangkan perkara ini secara terperinci.
Kaedah stylus mekanikal
Teknik ini merekod dan menguatkan gerakan menegak stylus pada permukaan yang akan diukur pada kelajuan malar. Kepala pengukur stylus dengan hujung stylus dan mekanisme pengimbasan membentuk instrumen ini. Memperoleh imbasan dua dimensi dalam arah X sambil melangkah dalam arah Y sejauh 5 m dengan skru plumbum Y. Ia digunakan untuk kedudukan sampel yang tepat dan menghasilkan imej tiga dimensi.
Kaedah optik
Menurut kajian tersebut, pelbagai kaedah optik digunakan untuk Kekasaran Permukaan.
Penilaian keseluruhan boleh dilakukan dengan mikroskop optik, yang hanya memberikan data kualitatif. Pendekatan geometri dan fizikal adalah dua jenis kaedah optikPemotongan tirus dan pemotongan cahaya adalah dua pendekatan geometri. Pantulan spekular dan meresap, corak bintik-bintik dan gangguan optik adalah contoh pendekatan fizikal.
Kaedah Mikroskopi Probe Pengimbasan (SPM)
Mikroskop prob imbasan (SPM) ialah sekumpulan peralatan berdasarkan mikroskopi terowong imbasan (STM) dan mikroskopi daya atom (AFM). Teknik pertama yang digunakan untuk mendapatkan imej 3 dimensi permukaan pepejal dengan resolusi atom ialah Mikroskopi prob imbasan.
Mengimbas Mikroskopi Terowong (STM)
STM beroperasi secara mudah. Satu titik logam tajam (satu elektrod simpang terowong) dibawa cukup dekat ke permukaan untuk diuji (elektrod kedua) supaya arus terowong berubah dari 0.2 hingga 10 nA, yang boleh diukur pada voltan kerja yang mudah (10 mV hingga 2 V). Pada jarak 0.3 hingga 1 nm, hujung diimbas merentasi permukaan sementara arus terowong antara hujung dan permukaan diukur.
Mikroskopi Daya Atom (AFM)
AFM menggabungkan STM dengan prinsip profil stylus. Untuk melihat jarak hujung ke sampel dalam AFM, daya antara sampel dan hujung dikesan dan bukannya arus terowong. Menggerakkan sampel menggunakan pengimbas piezoelektrik membawa hujung tajam di hujung cantilever bersentuhan dengan permukaan sampel. Ini cara berfungsi dikenali sebagai "mod tolakan" atau "mod sentuh". Mikroskopi daya atom ialah nano-profiler yang boleh berfungsi dengan sampel yang sangat kecil. Pendekatan ini menentukan kekasaran permukaan dengan resolusi lateral bermula dari skala mikroskopik hingga atom. Kaedah ini paling biasa digunakan untuk mengukur kekasaran dengan resolusi lateral yang sangat tinggi, seperti kekasaran nano.
Kaedah Bendalir
Teknik-teknik ini kebanyakannya digunakan dalam perkhidmatan untuk operasi penilaian berterusan (kawalan kualiti). Memandangkan ia berfungsi tanpa menyentuh permukaan dan sangat pantas, ini memberikan data berangka yang mungkin berkorelasi secara empirik dengan kekasaran. Kaedah tolok hidraulik dan pneumatik adalah dua teknik yang paling banyak digunakan.
Kaedah Elektrik
Teknik ini menggunakan pendekatan kapasitans berdasarkan idea kapasitor selari. Kapasitans antara dua elemen pengalir berkaitan dengan luasnya dan pemalar dielektrik medium, tetapi berkadar songsang dengan pemisahannya. Agak mudah untuk mengira kapasitans berkesan antara permukaan kasar dan cakera permukaan licin untuk pelbagai model deterministik. Ia dianggap sebagai jumlah bilangan luas elemen kecil pada ketinggian yang berbeza-beza. Kekasaran permukaan mempengaruhi kemuatan antara permukaan cakera yang licin dan permukaan yang hendak diukur. Berdasarkan premis ini, instrumen komersial boleh didapati. Proses pemeriksaan berterusan juga menggunakan kaedah kapasitans.
Mikroskop elektron
Kedua-dua mikroskopi elektron pantulan dan replika mungkin mendedahkan ciri permukaanWalau bagaimanapun, ia mempunyai dua kelemahan utama: pertama, data yang boleh diukur adalah sukar untuk diperoleh; dan kedua, disebabkan oleh medan penglihatannya yang terhad secara intrinsik, ia hanya memaparkan beberapa ketaksuban, manakala perkara penting tentang sentuhan permukaan ialah ia melibatkan populasi besar ketaksuban yang berinteraksi.
Kaedah pengukuran yang akhirnya dipilih sangat bergantung pada aplikasi pengguna. Kaedah pengukuran berdasarkan pantulan spekular, pantulan meresap atau corak bintik digunakan untuk operasi pemeriksaan dalam proses. Teknologi bendalir atau elektrik boleh digunakan untuk aktiviti pemeriksaan berterusan (kawalan kualiti) yang memerlukan maklumat minimum.
Piawaian Kebangsaan untuk Toleransi Pemesinan CNC
Gambar oleh Mastars on Unsplash
Variasi mungkin berlaku disebabkan oleh pelbagai punca, daripada bahan bahagian hinggalah proses pemesinan yang digunakan. Inilah sebabnya bahagian diberikan toleransi pemesinan sepanjang fasa reka bentuk – jumlah variasi yang dibenarkan dalam dimensi bahagian.
Jadi, apakah toleransi pemesinan dan mengapa ia penting? Teruskan membaca untuk mengetahui cara memilih toleransi yang prinsipnya berkaitan dengan pemesinan CNC.
Setiap ciri pada komponen mempunyai saiz dan bentuk geometri. Fungsi bahagian tersebut melibatkan kekangan untuk variasi saiz dan atribut geometri (bentuk, orientasi dan penempatan), yang apabila diatasi, akan merosakkan fungsi ini. Kebanyakan pemeriksa menggunakan penyelesaian zon minimum untuk mengira toleransi bentuk, yang meminimumkan ralat maksimum antara titik data dan ciri rujukan.
Institut piawaian kebangsaan Amerika (ANSI Y14.5M-1982), telah mewujudkan pendekatan piawai untuk Piawaian Kebangsaan mengenai Pendimensian dan Toleransi yang dikenali sebagai Dimensi dan Toleransi Geometri (Piawaian GD&T Y14.5). Pendekatan piawai untuk menunjukkan piawaian toleransi pada lukisan kejuruteraan telah diwujudkan untuk meningkatkan penggunaan spesifikasi toleransi sebagai alat komunikasi.
Bagi memastikan aspek saiz dan geometri semua ciri dikawal selia, toleransi pada lukisan hendaklah lengkap, iaitu tiada apa yang perlu diandaikan atau dibiarkan untuk penilaian di bengkel atau jabatan pemeriksaan. Penggunaan toleransi saiz dan geometri umum memudahkan untuk memastikan keperluan ini dipenuhi.
Piawaian toleransi bentuk digunakan untuk mengawal selia item terbitan kerana titik daripada ciri terbitan tidak boleh disampel secara langsung. Titik-titik ini mesti dikira menggunakan titik-titik yang disampel dari luar. Tetapi, bagaimana anda boleh memilih toleransi untuk pemesinan CNC?
Dimensi dan toleransi Geometri (Standard GD&T Y14.5) berguna untuk pereka dan pengilang untuk menyampaikan maklumat toleransi. Malangnya, pada masa ini tiada standard untuk pengesahan. spesifikasi toleransi.
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, bahan dan proses pemesinan yang berbeza memerlukan pelbagai toleransi. Ini bermakna toleransi pemesinan tidaklah 'piawai'. Walau bagaimanapun, sesetengah pengeluar telah menetapkan peraturan untuk aplikasi tertentu.
Sesetengah bengkel mesin memerlukan toleransi daripada pelanggan, dan jika ini tidak disediakan, mereka sama ada akan menolak untuk mengusahakan komponen tersebut atau menggunakan toleransi standard, katakan, ±0.005'' (0.127 mm). Toleransi mungkin lebih besar atau lebih kecil daripada 0.005.
Toleransi Geometri yang Dibenarkan ISO 2768
Langkah Berjaga-jaga Toleransi
Oleh itu, apakah langkah berjaga-jaga Toleransi yang perlu dipertimbangkan untuk Pemesinan CNC? Terdapat banyak aspek penting yang perlu dipertimbangkan semasa mengira toleransi. Ini dibincangkan di bawah;
- Bahan: Tiada dua bahan yang serupa, dan ada yang lebih mudah digunakan berbanding yang lain. Untuk menentukan toleransi, adalah penting untuk memeriksa kestabilan haba, kekerasan, kekakuan dan kekasaran bahan tersebut.
- Teknik pemesinan: Oleh kerana prosedur tertentu lebih tepat daripada yang lain, jenis pemesinan yang digunakan boleh memberi impak yang ketara terhadap output akhir.
- Kemasan dan penyaduran: Sejumlah kecil bahan ditambah pada permukaan bahagian semasa penyaduran dan kemasan, yang boleh mengubah dimensi bahagian secukupnya untuk memerlukan toleransi yang berbeza.
- Kos: Teknik ini lebih mahal jika anda mengehadkan toleransi dengan ketat. Adalah penting untuk mengekalkan toleransi yang tepat agar kekal berkesan dari segi kos. Adalah penting untuk memastikan toleransi anda tepat, tetapi tidak keterlaluan.
Gambar oleh Daniel Smyth on Unsplash
Jenis-jenis Toleransi
Adakah anda tahu ASME mengkategorikan pelbagai jenis toleransi untuk tujuan pemesinan?
Pendimensian dan Toleransi Geometri (GD&T) menyatakan lima jenis toleransi secara umum:
- Toleransi untuk bentuk: Toleransi geometri asas yang menentukan bentuk bahagian.
- Toleransi untuk profil: Menetapkan sempadan di sekeliling permukaan yang mesti mengandungi unsur-unsur permukaan.
- Toleransi untuk orientasi: Menentukan orientasi borang berkenaan dengan rujukan.
- Toleransi lokasi: Menunjukkan kedudukan ciri berhubung dengan rujukan.
- Larian keluar: Apabila sesuatu bahagian diputarkan pada paksi, turun naik larian keluar bagi ciri sasaran ditentukan.
Kekasaran Permukaan untuk Pemesinan CNC
Terdapat pelbagai elemen yang perlu dipertimbangkan semasa memilih kekasaran permukaan yang sesuai untuk projek anda. Bergantung pada aplikasi produk, ketahanan yang diingini, sama ada item tersebut akan digilap atau dicat, kepentingan dimensi yang tepat dan bajet projek, purata kekasaran (Ra) mungkin perlu lebih tinggi atau lebih rendah.
Di bawah toleransi dimensi yang sama, keperluan untuk kekasaran permukaan bahagian pemesinan CNC mereka berbeza-beza bergantung pada mesin. Ini adalah isu kestabilan kerjasama. Kriteria untuk kestabilan dan kebolehtukaran bahagian mesin berbeza-beza dalam reka bentuk dan fabrikasi bahagian mekanikal untuk pelbagai jenis mesin.
Tetapi apakah jenis-jenis pemesinan yang berbeza dan bagaimana anda boleh bermula? Mari kita lihat bidang yang semakin berkembang ini. Tiga jenis berikut diwakili dalam manual reka bentuk bahagian mekanikal sedia ada:
Kekasaran permukaan dalam pemesinan CNC mempunyai kesan terhadap cara objek yang dihasilkan berinteraksi dengan persekitarannya. Kemasan pemesinan CNC 'seperti yang dimesin' yang biasa adalah licin apabila disentuh dengan kekasaran purata (Ra3.2), tetapi garisan pemesinan yang kelihatan daripada alat pemotong juga dapat dilihat. Kebanyakan bahagian boleh dibuat dengan jumlah kekasaran ini, walaupun dalam beberapa kes, permukaan yang lebih licin diperlukan. Apabila membangunkan bahagian gelongsor, permukaan yang lebih licin mungkin berfaedah kerana ia mengurangkan geseran antara bahagian dan meningkatkan prestasi haus.
Yang pertama kebanyakannya digunakan dalam jentera jitu yang memerlukan tahap kestabilan padanan yang tinggi. Semasa servis atau selepas pemasangan berterusan, had haus bahagian mesin tidak boleh melebihi 10% toleransi dimensi bahagian-bahagian tersebut. Ini kebanyakannya digunakan pada permukaan geseran bahagian mesin yang sangat penting, seperti permukaan dalam silinder, leher gelendong alat mesin jitu, leher gelendong mesin pengorek koordinat dan mata gergaji yang lebih jitu yang memenuhi keperluan yang sangat khusus.
Yang satu lagi digunakan dalam peralatan ketepatan biasa yang memerlukan kestabilan padanan yang tinggi, had haus komponen mekanikal tidak lebih daripada 25% ketepatan dimensi bahagian yang dimesin dan permukaan sentuhan yang sangat rapat. Mesin, peralatan, permukaan yang berfungsi dengan galas gulung, lubang jarum tirus dan permukaan sentuhan yang bergerak pada kelajuan yang agak pantas adalah semua contoh aplikasinya.
Jenis ketiga digunakan terutamanya dalam jentera umum di mana had haus bahagian mekanikal tidak boleh melebihi 50% nilai toleransi dimensi dan tiada permukaan sentuhan untuk bahagian yang bergerak relatif, begitu juga permukaan yang ketat, kunci dan permukaan kerja laluan kunci; permukaan sentuhan dengan kelajuan pergerakan relatif rendah serta lubang pendakap, sesendal, permukaan kerja dengan lubang untuk aci roda, pengurang dan sebagainya.
Gambar oleh Mastars on Unsplash
Hubungan antara Kekasaran dan Toleransi
Sekarang, bagaimanakah kekasaran dan toleransi berkaitan antara satu sama lain dalam pemesinan kawalan berangka komputer (CNC)?
Kekasaran permukaan yang serasi dengan tahap toleransi adalah yang paling biasa digunakan.
Jika keperluan ketepatan dimensi untuk komponen mekanikal semakin kecil, maka nilai kekasaran permukaan bahagian mekanikal akan menurun. Walau bagaimanapun, tiada hubungan fungsi yang terjalin antara mereka dalam keadaan biasa. Sesetengah jentera dan instrumen mempunyai keperluan permukaan yang sangat licin contohnya; pemegang, roda tangan, peralatan kebersihan, jentera makanan dan bahagian mekanikal dengan permukaan yang diubah.
Ini bermakna keperluan kekasaran permukaan adalah tinggi tetapi keperluan toleransi dimensi adalah rendah. Dalam keadaan biasa, tahap toleransi dan nilai kekasaran permukaan item pemesinan CNC dengan keperluan toleransi dimensi mempunyai hubungan yang munasabah.
Menurut beberapa manual reka bentuk komponen mekanikal dan monograf, terdapat banyak formula pengiraan yang tersedia. Ia mewakili hubungan antara kekasaran permukaan dan toleransi dimensi bahagian mekanikal. Anda boleh membaca senarai formula untuk dipilih.
Apabila anda benar-benar membacanya, anda akan perasan bahawa formula empirikal yang sama digunakan dengan nilai yang berbeza. Ia boleh menyebabkan kekeliruan bagi mereka yang mempunyai pengetahuan yang sangat terhad dalam bidang ini. Pada masa yang sama, ia menjadikan pemilihan kekasaran permukaan dalam kerja bahagian mekanikal lebih kompleks.
Pemilihan Prinsip Toleransi untuk Mesin CNC
Pemesinan Kawalan Berangka Komputer (CNC) memerlukan ketepatan yang tinggi. Dalam profesion ini, walaupun satu milimeter boleh menyebabkan kesilapan besar. Malangnya, tiada mesin yang dapat menjamin ketepatan 100 peratus sepanjang masa.
Oleh itu, apakah prinsip toleransi asas yang perlu diguna pakai untuk Pemesinan CNC? Mari kita terokai perkara ini bersama-sama.
Seperti yang kita ketahui, toleransi ialah kawalan ketepatan bahagian mesin CNC. Terdapat toleransi piawai untuk item mesin CNC seperti benang, potongan dan paip. Toleransi piawai diperlukan untuk bahagian mesin yang dikawal secara berangka untuk pelbagai aplikasi. Apabila pelanggan tidak memilih tahap toleransi, kebanyakan perkhidmatan pengilangan CNC menyediakan ±0.1 mm, yang juga merupakan piawaian toleransi komponen pemesinan CNC biasa yang ditentukan oleh jurutera mekanikal. Organisasi piawai paling kerap di seluruh dunia yang menetapkan toleransi pemesinan CNC ialah (ISO) Pertubuhan Piawaian Antarabangsa, (ASME) Persatuan Jurutera Mekanikal Amerika dan lain-lain. Sekarang bincangkannya secara mendalam.
Pada asasnya, Pertubuhan Antarabangsa untuk penyeragaman (ISO 2768) piawaian dipecahkan kepada dua bahagian, setiap satunya bertujuan untuk memudahkan lukisan dengan menetapkan tahap ketepatan sebagai peraturan umum:
- Toleransi umum: Arasnya digambarkan sebagai f-halus, m-sederhana, c-kasar dan v-sangat kasar untuk dimensi linear dan sudut.
- Toleransi geometri; Kelas toleransi H, K dan L menetapkan toleransi geometri untuk ciri dengan tahap ketepatan yang berbeza.
Sebagai ilustrasi, lukisan boleh ditetapkan sebagai Organisasi Antarabangsa untuk penyeragaman ISO 2768-mK, yang bermaksud ia mesti mematuhi had toleransi untuk kelas toleransi "medium" Bahagian 1 dan "K" Bahagian 2. Anda boleh memudahkan lukisan anda dengan memasukkan spesifikasi ISO 2768 dan mengelakkan daripada menentukan toleransi untuk setiap dimensi dan ciri.
Piawaian ini dibentuk daripada garis panduan umum kerana terdapat situasi apabila dimensi sesuatu bahagian memerlukan toleransi yang lebih ketat daripada yang ditakrifkan oleh ISO 2768. Kejadian sedemikian adalah perkara biasa, oleh itu semak blok tajuk lukisan untuk keperluan toleransi umum dan catatkan sebarang spesifikasi bahagian khas atau keperluan projek.
Manakala, Persatuan Jurutera Mekanikal Amerika (ASME Y14.5) piawaian menentukan simbol, definisi dan peraturan pendimensian geometri dan toleransi. Tujuan piawaian ini adalah untuk memastikan maklumat terperinci diberikan dengan jelas merentasi proses reka bentuk dan pembuatan untuk komponen mekanikal.
Ia pada asasnya memberitahu kakitangan pembuatan dan peralatan betapa tepat dan jitunya setiap ciri terkawal bahagian tersebut. Pada lukisan kejuruteraan dan model pepejal tiga dimensi yang dijana komputer, Toleransi Geometri dan Dimensi (GD&T) menggunakan bahasa simbolik yang menyatakan geometri nominal dan varians yang dibenarkan.
Toleransi dipilih mengikut proses pengeluaran. Biasanya, semakin tinggi toleransi, semakin rendah kosnya. Berlebihan pemilihan toleransi membawa risiko kerosakan prestasi prospektif dan sebenar, kemerosotan perkhidmatan, ketidaksesuaian fungsi dan penampilan yang buruk. Had toleransi adalah yang paling praktikal dan digunakan secara meluas. Ia membolehkan pemilihan toleransi sewenang-wenangnya untuk rantai pengukuran dan memastikan kesesuaian yang baik, tetapi ia tidak mengambil kira kos pengeluaran.
Kaedah standard untuk menentukan toleransi tidak memaksimumkan kos dan toleransi secara langsung. Fokus utamanya ialah menentukan toleransi supaya reka bentuk itu boleh berfungsi dahulu dan, sebaik-baiknya, menjadi yang paling murah.
Garisan bawah
Oleh itu, apakah sebenarnya hubungan antara kekasaran permukaan dan tahap toleransi dalam pemesinan CNC?
Tekstur purata permukaan sesuatu bahagian diukur dengan kekasaran permukaan. Kekasaran permukaan yang serasi dengan tahap toleransi adalah yang paling biasa digunakan. Semakin kecil keperluan ketepatan dimensi untuk komponen mekanikal, semakin rendah nilai kekasaran permukaan bahagian mekanikal, namun, tiada hubungan fungsi kekal antara mereka dalam keadaan biasa.
Pertubuhan Piawaian Antarabangsa (ISO) dan Persatuan Jurutera Mekanikal Amerika (ASME) merupakan dua organisasi piawaian antarabangsa yang paling biasa yang menentukan toleransi pemesinan CNC. Kemasan pemesinan CNC 'seperti yang dimesin' yang biasa adalah licin apabila disentuh dengan kekasaran purata (Ra3.2). Jika ini tidak tersedia, toleransi piawai digunakan sebagai ± 0.005" (0.127 mm).
