Oppervlakteruwheid is een belangrijke technische indicator die de micro-geometrische fout van het oppervlak van het bewerkingsonderdeel weerspiegelt en de primaire basis vormt voor het inspecteren van de oppervlaktekwaliteit van bewerkingsonderdelen; of het nu redelijk is of niet, het is direct gerelateerd aan de kwaliteit, levensduur en productiekosten van de bewerkingsonderdelen. Oppervlakteruwheid verwijst naar de fijn verdeelde micro-onregelmatigheden op de oppervlaktetextuur, die bestaat uit drie elementen: ruwheid, golving en vorm.
Computer numerical control (CNC) bewerkingsservice kan de controle over de toleranties van de onderdelen behouden. Hoe hoger de nauwkeurigheidsnormen van de productie-industrie, hoe kleiner de tolerantiewaarde. Hoe groter de tolerantie, hoe breder en lager de benodigde nauwkeurigheid. Wanneer bepaalde oppervlakteruwheidswaarden vereist zijn, worden nabewerkingsmethoden zelden gebruikt. Dit komt omdat deze processen moeilijk te beheren zijn en de dimensionale tolerantie van het onderdeel kunnen beïnvloeden.
Maar hoe correleren oppervlakteruwheid en tolerantieniveau met elkaar in CNC-bewerking? Om dit te weten, lees verder om deze relatie te verkennen. Voordat we verdergaan, is het belangrijk om de methoden voor oppervlakteruwheidsmeting te kennen.
Methoden voor het bepalen van ruwheid
Er is een grote verscheidenheid aan apparatuur beschikbaar voor ruwheidsmetingen. Maar hier zijn twee brede technieken ruwheid bepalen.
- Contact type
- Contactloos type
Laten we overgaan tot een diepgaande analyse van deze technieken. Een contactvorm van analyse waarbij een onderdeel van het meetapparaat tijdens het experiment daadwerkelijk contact maakt met het te meten oppervlak. Maar bij contactmetingen kan een scherpe styluspunt het oppervlak beschadigen, vooral zachte oppervlakken. Voor deze metingen moeten de normale belastingen laag genoeg zijn, zodat de contactspanningen de hardheid van het te testen oppervlak niet overschrijden. De stylusinstrumenten van het contacttype met elektronische versterking zijn tegenwoordig het populairst. De Internationale Organisatie voor Standaardisatie (ISO) beveelt aan dat de stylustechniek algemeen wordt gebruikt voor referentiedoeleinden.
Een contactloze optische profiler gebaseerd op het principe van optische interferometrie met twee stralen, uitgevonden in 1983 en wordt nu algemeen gebruikt om gladde oppervlakken in de elektronica en optische sectoren te meten. In 1985 werd een atoomkrachtmicroscoop gecreëerd, die in wezen een nanoprofiler is die werkt bij ultralage belastingen. Oppervlakteruwheid kan worden gemeten met een laterale resolutie variërend van microscopische tot atomaire schaal.
Deze apparatuur wordt vaak gebruikt in onderzoek om extreem hoge laterale resolutie ruwheid te kwantificeren, met name nanoschaal ruwheid. Er zijn een aantal andere procedures gedemonstreerd in het lab maar nooit commercieel ingezet, of die zijn gebruikt in gespecialiseerde toepassingen. Gebaseerd op het betrokken fysieke principe, zullen we de verschillende technieken classificeren in zes categorieën:
Mechanische stylus-, optische, scanning-sondemicroscopie (SPM), vloeistof-, elektrische en elektronenmicroscopiebenaderingen.
Hoe werken al deze processen precies voor het meten van de oppervlakteruwheid? Laten we dit in detail bespreken.
Mechanische stylusmethode
Deze techniek registreert en versterkt de verticale beweging van de stylus op het te meten oppervlak met een constante snelheid. Het instrument bestaat uit een stylusmeetkop met styluspunt en een scanmechanisme. Verwerven van tweedimensionale scans in de X-richting terwijl u 5 m in de Y-richting stapt met de Y-spindel. Het wordt gebruikt voor nauwkeurige monsterpositionering en levert een driedimensionaal beeld op.
optische methode:
Volgens het onderzoek worden verschillende optische methoden gebruikt voor oppervlakteruwheid.
De algehele beoordeling kan worden uitgevoerd met een optische microscoop, die alleen kwalitatieve gegevens oplevert. Geometrische en fysieke benaderingen zijn twee soorten benaderingen optische methoden. Conische secties en lichte secties zijn twee geometrische benaderingen. Spiegelende en diffuse reflecties, spikkelpatronen en optische interferentie zijn voorbeelden van fysieke benaderingen.
Scanning-sondemicroscopie (SPM)-methoden
Scanning probe microscopies (SPM) zijn een groep apparatuur gebaseerd op scanning tunneling microscopie (STM) en atomic force microscopy (AFM). De eerste techniek die wordt gebruikt om een driedimensionaal beeld van een vast oppervlak met atomaire resolutie te krijgen, is scanning-sondemicroscopie.
Scanningtunnelmicroscopie (STM)
STM werkt op een eenvoudige basis. Een scherpe metalen punt (één elektrode van de tunnelovergang) wordt zo dicht bij het te onderzoeken oppervlak gebracht (tweede elektrode) dat de tunnelstroom varieert van 0.2 tot 10 nA, wat kwantificeerbaar is bij een geschikte werkspanning (10 mV tot 2 V). Op een afstand van 0.3 tot 1 nm wordt de punt over een oppervlak gescand terwijl de tunnelstroom tussen de punt en het oppervlak wordt gemeten.
Atoomkrachtmicroscopie (AFM)
De AFM combineert de STM met de principes van de stylusprofiler. Om de nabijheid van de punt tot het monster in de AFM waar te nemen, wordt de kracht tussen het monster en de punt waargenomen in plaats van de tunnelstroom. Door het monster te verplaatsen met behulp van piëzo-elektrische scanners, komt een scherpe punt aan het einde van een cantilever in contact met een monsteroppervlak. Dit wijze van functioneren staat bekend als "repulsive mode" of "contact mode". Atomic force microscopy is een nano-profiler die kan werken met zeer kleine monsters. Deze aanpak bepaalt de oppervlakteruwheid met laterale resolutie variërend van microscopisch tot atomaire schaal. Deze methode wordt het meest gebruikt om ruwheid te schalen met een zeer hoge laterale resolutie, zoals nanoschaalruwheid.
Vloeibare methoden
Deze technieken worden meestal gebruikt in dienst voor constante beoordeling (kwaliteitscontrole). Omdat ze werken zonder het oppervlak aan te raken en extreem snel zijn. Dit levert numerieke gegevens op die empirisch kunnen correleren met ruwheid. De hydraulische en pneumatische meetmethoden zijn de twee meest gebruikte technieken.
Elektrische methode
Deze techniek maakt gebruik van de capaciteitsbenadering op basis van het parallelcondensatoridee. De capaciteit tussen twee geleidende elementen is gerelateerd aan hun oppervlakte en de diëlektrische constante van het medium, maar is omgekeerd evenredig met hun scheiding. Het is vrij eenvoudig om de effectieve capaciteit tussen een ruw oppervlak en een gladde oppervlakteschijf te berekenen voor verschillende deterministische modellen. Het wordt beschouwd als de som van een aantal kleine elementaire gebieden op verschillende hoogtes. Oppervlakteruwheid beïnvloedt de capaciteit tussen een glad schijfoppervlak en het te meten oppervlak. Op basis van dit uitgangspunt is er een commercieel instrument beschikbaar. Continue inspectieprocessen maken ook gebruik van de capaciteitsmethode.
Elektronenmicroscopie
Zowel reflectie- als replica-elektronenmicroscopie kunnen macroscopisch en microscopisch onthullen oppervlakte eigenschappen. Ze hebben echter twee belangrijke nadelen: ten eerste zijn kwantificeerbare gegevens moeilijk te verkrijgen; en ten tweede vertonen ze, vanwege hun intrinsiek beperkte gezichtsveld, slechts een paar oneffenheden, terwijl het belangrijke punt van oppervlaktecontact is dat er enorme populaties van op elkaar inwerkende oneffenheden bij betrokken zijn.
De uiteindelijk gekozen meetmethode is sterk afhankelijk van de toepassing van de gebruiker. Voor inspectiewerkzaamheden tijdens het proces worden meetmethoden gebruikt die zijn gebaseerd op spiegelreflectie, diffuse reflectie of spikkelpatroon. Vloeistof- of elektrische technologieën kunnen worden gebruikt voor continue inspectieactiviteiten (kwaliteitscontrole) waarvoor minimale informatie nodig is.
Nationale norm voor tolerantie voor CNC-bewerking
Foto door Masters on Unsplash
Variaties kunnen optreden door verschillende oorzaken, variërend van het materiaal van het onderdeel tot het gebruikte bewerkingsproces. Daarom krijgen onderdelen bewerkingstoleranties gedurende de ontwerpfase – een hoeveelheid toegestane variatie in de afmetingen van een onderdeel.
Wat zijn bewerkingstoleranties en waarom zijn ze belangrijk? Lees verder om erachter te komen hoe u tolerantie kiest. Dit principe heeft betrekking op CNC-bewerking.
Elk kenmerk van een component heeft een grootte en een geometrische vorm. De functie van het onderdeel brengt beperkingen met zich mee voor variaties in grootte en geometrische kenmerken (vorm, oriëntatie en plaatsing), die, wanneer ze worden overschreden, deze functie beschadigen. De meeste inspecteurs gebruiken de minimumzone-oplossing om te berekenen toleranties vormen, wat de maximale fout tussen datapunten en een referentiekenmerk minimaliseert.
Het Amerikaanse nationale standaardinstituut (ANSI Y14.5M-1982), heeft een gestandaardiseerde aanpak vastgesteld voor de nationale norm voor dimensionering en tolerantie, bekend als de geometrische dimensie en tolerantie (GD&T Y14.5-standaard). Er is een gestandaardiseerde aanpak ontwikkeld voor het weergeven van tolerantienormen op technische tekeningen om het gebruik van tolerantiespecificaties als communicatiemiddel te vergroten.
Om ervoor te zorgen dat de aspecten van grootte en geometrie van alle onderdelen worden geregeld, moeten de toleranties op de tekening volledig zijn, dat wil zeggen dat er niets mag worden aangenomen of aan het oordeel moet worden overgelaten in de werkplaats of de inspectieafdeling. Het gebruik van algemene maat- en geometrietoleranties maakt het gemakkelijker om ervoor te zorgen dat aan deze eis wordt voldaan.
Er worden vormtolerantiestandaarden gebruikt om de afgeleide items te reguleren, omdat punten van het afgeleide kenmerk niet rechtstreeks kunnen worden bemonsterd. Deze punten moeten worden berekend met behulp van bemonsterde punten van buitenaf. Maar hoe kunt u tolerantie kiezen voor CNC-bewerking?
Welnu, de geometrische dimensie en tolerantie (GD&T Y14.5-standaard) is nuttig voor ontwerpers en fabrikanten om tolerantie-informatie te communiceren. Helaas bestaat er momenteel geen standaard voor verificatie tolerantie specificaties.
Zoals eerder vermeld, vereisen verschillende materialen en bewerkingsprocessen verschillende toleranties. Dit betekent dat bewerkingstoleranties niet bepaald 'standaard' zijn. Sommige fabrikanten hebben echter regels opgesteld voor specifieke toepassingen.
Sommige machinewerkplaatsen vereisen toleranties van klanten, en als deze niet worden verstrekt, weigeren ze aan het onderdeel te werken of gebruiken ze een standaardtolerantie van bijvoorbeeld ±0.005'' (0.127 mm). De tolerantie kan groter of kleiner zijn dan 0.005.
ISO 2768 Toegestane geometrische tolerantie
Voorzorgsmaatregelen voor tolerantie
Wat zijn daarom de tolerantievoorzorgsmaatregelen waarmee rekening moet worden gehouden bij CNC-bewerking? Er zijn talloze belangrijke aspecten waarmee u rekening moet houden bij het berekenen van toleranties. Deze worden hieronder besproken;
- Materiaal: Er zijn geen twee materialen die op elkaar lijken, en sommige zijn makkelijker om mee te werken dan andere. Om toleranties te definiëren, is het cruciaal om de hittestabiliteit, hardheid, stijfheid en abrasiviteit van het materiaal te onderzoeken.
- Bewerkingstechniek: Omdat bepaalde procedures nauwkeuriger zijn dan andere, kan het type bewerking dat wordt toegepast een aanzienlijke impact hebben op de uiteindelijke output.
- Afwerken en beplating: Tijdens het bekleden en afwerken worden kleine hoeveelheden materiaal aan het oppervlak van een onderdeel toegevoegd, waardoor de afmetingen van het onderdeel net genoeg kunnen veranderen om een andere tolerantie noodzakelijk te maken.
- Kosten: De techniek is duurder als u de tolerantie strikt beperkt. Het is cruciaal om een nauwkeurige tolerantie te handhaven om kosteneffectief te blijven. Het is cruciaal om ervoor te zorgen dat uw tolerantie nauwkeurig is, maar niet overdreven.
Foto door Daniël Smyth on Unsplash
Soorten tolerantie
Kent u in de ASME-categorieën verschillende soorten toleranties voor bewerkingsdoeleinden?
De geometrische maatvoering en toleranties (GD&T) specificeert in het algemeen vijf soorten toleranties:
- Vormtoleranties: Een fundamentele geometrische tolerantie die de vorm van het onderdeel bepaalt.
- Toleranties voor profielen: hiermee wordt een grens rond een oppervlak ingesteld waarbinnen de bestanddelen van het oppervlak zich moeten bevinden.
- Toleranties voor oriëntatie: bepalen de oriëntatie van het formulier ten opzichte van een referentie.
- Locatietoleranties: Geeft de positie van het object ten opzichte van een referentie aan.
- Uitloop: Wanneer een onderdeel om een as wordt gedraaid, wordt de schommeling in de uitloop van een doelkenmerk gespecificeerd.
Oppervlakteruwheid voor CNC-bewerking
Er zijn verschillende elementen om te overwegen bij het kiezen van de juiste oppervlakteruwheid voor uw project. Afhankelijk van de toepassing van het product, de gewenste duurzaamheid, of het item gepolijst of geverfd zal worden, het belang van nauwkeurige afmetingen en het budget van het project, kan het ruwheidsgemiddelde (Ra) hoger of lager moeten zijn.
Onder dezelfde maattoleranties variëren de vereisten voor oppervlakteruwheid van hun CNC-bewerkingsonderdelen afhankelijk van de machine. Dit is het probleem van de stabiliteit van de samenwerking. De criteria voor de stabiliteit en uitwisselbaarheid van bewerkte onderdelen variëren in het ontwerp en de fabricage van mechanische onderdelen voor verschillende soorten machines.
Maar wat zijn de verschillende soorten bewerkingen en hoe kunt u beginnen? Laten we eens kijken naar dit groeiende veld. De volgende drie typen worden vertegenwoordigd in de bestaande handleiding voor het ontwerpen van mechanische onderdelen:
Oppervlakteruwheid bij CNC-bewerking heeft invloed op hoe het gecreëerde object met zijn omgeving interageert. Een typische 'as machinaal' CNC-bewerkingsafwerking is glad om aan te raken met een gemiddelde ruwheid (Ra3.2), maar zichtbare bewerkingslijnen van het snijgereedschap zijn zichtbaar. De meeste onderdelen kunnen met deze hoeveelheid ruwheid worden gemaakt, hoewel in sommige gevallen een gladder oppervlak nodig is. Bij het ontwikkelen van glijdende onderdelen kan een gladder oppervlak voordelig zijn, omdat het de wrijving tussen onderdelen vermindert en de slijtageprestaties verbetert.
De eerste wordt meestal gebruikt in precisiemachines die een hoge mate van pasvormstabiliteit vereisen. Tijdens service of na continue montage mag de slijtagelimiet van bewerkte onderdelen niet overschreden worden 10% van de maattolerantie van de onderdelen. Dit wordt meestal gebruikt op de wrijvingsoppervlakken van uiterst essentiële bewerkte onderdelen, zoals het binnenoppervlak van de cilinder, de spilhals van precisiewerktuigmachines, de spilhals van coördinatenboormachines en nauwkeurigere bits die aan zeer specifieke eisen voldoen.
De andere wordt gebruikt in typische precisieapparatuur die een hoge passtabiliteit vereist, een slijtagelimiet voor mechanische componenten van niet meer dan 25% van de dimensionale nauwkeurigheid van het bewerkte onderdeel en een zeer nauw contactoppervlak. Machines, gereedschappen, oppervlakken die werken met rollagers, taps toelopende pinholes en contactoppervlakken die met vrij hoge snelheden bewegen, zijn allemaal voorbeelden van de toepassing ervan.
Het derde type wordt voornamelijk gebruikt in algemene machines waar de slijtagelimiet van mechanische onderdelen niet mag overschrijden 50% van de maattolerantiewaarde en er zijn geen contactvlakken voor relatief bewegende delen, evenmin als dichte oppervlakken, spieën en het werkvlak van de spiebanen; contactvlak met een lage relatieve bewegingssnelheid en een beugelgat, bus, werkvlak met een gat voor de wielas, reductor, enzovoort.
Foto door Masters on Unsplash
Relatie z/w Ruwheid en Tolerantie
Hoe verhouden ruwheid en tolerantie zich nu tot elkaar bij CNC-bewerking (computernumerieke besturing)?
De oppervlakteruwheid die compatibel is met het tolerantieniveau wordt het meest gebruikt.
Als de maatnauwkeurigheidseisen voor mechanische componenten kleiner zijn, verlaag dan de oppervlakteruwheidswaarde van de mechanische onderdelen. Onder normale omstandigheden is er echter geen sprake van een functionele link tussen beide. Sommige machines en instrumenten stellen bijvoorbeeld eisen aan een zeer glad oppervlak; handgrepen, handwielen, sanitaire uitrusting, voedselmachines en mechanische onderdelen met een veranderd oppervlak.
Het betekent dat de eisen aan de oppervlakteruwheid hoog zijn, maar dat de eisen aan de maattolerantie laag zijn. Onder typische omstandigheden hebben het tolerantieniveau en de oppervlakteruwheidswaarde van CNC-bewerkingsitems met maattolerantie-eisen een redelijke relatie.
Volgens sommige ontwerphandleidingen en monografieën voor mechanische componenten zijn er veel berekeningsformules beschikbaar. Het vertegenwoordigt de relatie tussen de oppervlakteruwheid en de maattoleranties van mechanische onderdelen. U kunt de formulelijst lezen waaruit u kunt kiezen.
Terwijl je het daadwerkelijk leest. U zult merken dat dezelfde empirische formule met verschillende waarden wordt gebruikt. Het kan verwarring veroorzaken bij mensen die over zeer beperkte kennis op dit gebied beschikken. Tegelijkertijd maakt het het selecteren van oppervlakteruwheid in het werk van mechanische onderdelen complexer.
Selectie van tolerantieprincipe voor CNC-machine
Computer Numerical Control (CNC)-bewerkingen vereisen extreme nauwkeurigheid. In dit vak kunnen zelfs millimeters tot grote fouten leiden. Helaas kan geen enkele machine altijd 100 procent nauwkeurigheid garanderen.
Welk basistolerantieprincipe moet daarom worden toegepast voor CNC-bewerking? Laten we dit samen onderzoeken.
Zoals we weten, is tolerantie de controle op de juistheid van CNC-gefreesde onderdelen. Er zijn standaardtoleranties voor CNC-gefreesde items zoals schroefdraad, sneden en buizen. Standaardtoleranties zijn vereist voor numeriek bestuurde machinaal bewerkte onderdelen voor een verscheidenheid aan toepassingen. Wanneer de klant het tolerantieniveau niet selecteert, bieden de meeste CNC-freesdiensten ±0.1 mm, wat ook de typische tolerantienorm voor CNC-bewerkingscomponenten is die door de werktuigbouwkundige is gespecificeerd. De meest voorkomende wereldwijde standaardorganisaties die toleranties voor CNC-bewerkingen vaststellen, zijn (ISO) International Organization for Standardization, (ASME) American Society of Mechanical Engineers en anderen. Bespreek ze nu diepgaand.
Kortom, de Internationale Organisatie voor Standaardisatie (ISO 2768 ) standaard is opgesplitst in twee delen, die elk tot doel hebben tekeningen te vereenvoudigen door precisieniveaus als algemene regels vast te stellen:
- Algemene tolerantie: De niveaus worden beschreven als f-fijn, m-medium, c-grof en v-zeer grof voor lineaire en hoekige afmetingen.
- Geometrische tolerantie; Tolerantieklassen H, K en L leggen geometrische toleranties vast voor elementen met verschillende nauwkeurigheidsniveaus.
Ter illustratie zou een tekening kunnen worden aangeduid als Internationale Organisatie voor Standaardisatie ISO 2768 mK, wat betekent dat het moet voldoen aan de tolerantielimieten voor de tolerantieklassen "medium" van Deel 1 en "K" van Deel 2. U kunt uw tekening vereenvoudigen door de ISO 2768-specificatie op te nemen en te voorkomen dat u toleranties voor elke dimensie en feature specificeert.
De norm bestaat uit algemene richtlijnen omdat er situaties zijn waarin een afmeting van een onderdeel een nauwere tolerantie vereist dan die gedefinieerd door ISO 2768. Dergelijke voorvallen komen vaak voor. Bekijk daarom het titelblok van de tekening voor algemene tolerantievereisten en noteer eventuele speciale onderdeelspecificaties of projectvereisten.
Terwijl de American Society of Mechanical Engineers (ASME Y14. 5) standaard specificeert geometrische dimensionering en tolerantiesymbolen, definities en voorschriften. Het doel van de standaard is om ervoor te zorgen dat gedetailleerde informatie duidelijk wordt verstrekt tijdens het hele ontwerp- en productieproces voor mechanische componenten.
Het vertelt het productiepersoneel en de apparatuur in feite hoe nauwkeurig en nauwkeurig elk geregeld kenmerk van het onderdeel moet zijn. Op technische tekeningen en computergegenereerde driedimensionale solide modellen gebruikt de Geometrische en Afmetingen Tolerantie (GD&T) een symbolische taal die de nominale geometrie en de toegestane variantie ervan uitdrukt.
Toleranties worden gekozen afhankelijk van het productieproces. Normaal gesproken geldt: hoe hoger de tolerantie, hoe lager de kosten. Excessief tolerantie selectie brengt het risico met zich mee van toekomstige en daadwerkelijke prestatiestoringen, verslechtering van de dienstverlening, functionele ongewenstheid en een slecht uiterlijk. Beperk de tolerantie is de meest praktische en meest gebruikte. Het maakt de willekeurige selectie van toleranties voor een keten van metingen mogelijk en zorgt voor een goede pasvorm, maar houdt geen rekening met de productiekosten.
De standaardmethoden voor het bepalen van toleranties maximaliseren niet direct de kosten en toleranties. Hun belangrijkste focus is toleranties definiëren zodat het ontwerp als eerste werkt en bij voorkeur het goedkoopste is.
Het komt neer op
Wat is dus precies de relatie tussen oppervlakteruwheid en tolerantieniveau bij CNC-bewerking?
De gemiddelde textuur van het oppervlak van een onderdeel wordt gemeten door oppervlakteruwheid. De oppervlakteruwheid die compatibel is met het tolerantieniveau wordt het meest gebruikt. Hoe kleiner de vereisten voor dimensionale nauwkeurigheid voor mechanische componenten, hoe lager de oppervlakteruwheidswaarde van de mechanische onderdelen, maar er is onder normale omstandigheden geen permanente functionele link tussen hen.
De International Organization for Standardization (ISO) en de American Society of Mechanical Engineers (ASME) zijn de twee meest voorkomende internationale standaardisatieorganisaties die CNC-bewerkingstoleranties bepalen. Een veelvoorkomende 'as machinaal bewerkte' CNC-bewerkingsafwerking is glad aanvoelend met een gemiddelde ruwheid (Ra3.2). Als deze niet beschikbaar zijn, wordt een standaardtolerantie gebruikt van ± 0.005" (0.127 mm).
