Шероховатость поверхности является важным техническим показателем, который отражает микрогеометрическую погрешность поверхности обрабатываемой детали и является основной основой для проверки качества поверхности обрабатываемых деталей; независимо от того, является ли это обоснованным или нет, оно напрямую связано с качеством обрабатываемых деталей, сроком службы и себестоимостью производства. Шероховатость поверхности относится к мелко расположенным микронеровностям на текстуре поверхности, которая состоит из три элемента: шероховатость, волнистость и форма.
Профиль шероховатости поверхности
Служба обработки с числовым программным управлением (ЧПУ) может поддерживать контроль над допусками деталей. Чем выше стандарты точности в обрабатывающей промышленности, тем меньше значение допуска. С другой стороны, чем больше допуск, тем шире и ниже необходимая точность. Когда требуются определенные значения шероховатости поверхности, методы постобработки используются редко. Это связано с тем, что эти процессы трудно контролировать и они могут влиять на размерные допуски деталей.
Но, как шероховатость поверхности и уровень допуска коррелируют друг с другом в обработке с ЧПУ? Чтобы узнать, продолжайте читать, чтобы изучить эту связь. Прежде чем двигаться дальше, важно знать методы измерения шероховатости поверхности.
Методы определения шероховатости
Существует широкий спектр оборудования для измерения шероховатости. Но вот две широкие техники для определения шероховатости.
- Тип контакта
- Бесконтактный тип
Перейдем к глубокому анализу этих методик. Контактная форма анализа, при которой компонент измерительного устройства фактически контактирует с измеряемой поверхностью во время эксперимента. Однако при контактном измерении острый кончик щупа может повредить поверхность, особенно мягкую. Для проведения этих измерений нормальные нагрузки должны быть достаточно низкими, чтобы контактные напряжения не превышали твердость испытуемой поверхности. Наибольшую популярность сегодня получили стилусные инструменты контактного типа с электронным усилением. Международная организация по стандартизации (ISO) рекомендует широко использовать метод стилуса в справочных целях.
Бесконтактный оптический профилометр, основанный на принципе двухлучевой оптической интерферометрии, изобретенный в 1983 году и в настоящее время широко используемый для измерения гладких поверхностей в электронике и оптике. Атомно-силовой микроскоп, который по сути представляет собой нанопрофилировщик, работающий при сверхнизких нагрузках, был создан в 1985 году. Шероховатость поверхности можно измерять с поперечным разрешением, варьирующимся от микроскопических до атомных масштабов.
Это оборудование часто используется в исследованиях для количественной оценки шероховатости с чрезвычайно высоким латеральным разрешением, особенно шероховатости в наномасштабе. Существует ряд других процедур, продемонстрированных в лаборатории, но никогда не применявшихся в коммерческих целях или использовавшихся в специализированных приложениях. На основе задействованного физического принципа мы классифицируем различные методы на шесть категорий:
Механическая стилусная, оптическая, сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), жидкостная, электрическая и электронная микроскопия.
Итак, как именно все эти процессы работают при измерении шероховатости поверхности? Давайте обсудим это подробно.
Механический метод стилуса
Этот метод записывает и усиливает вертикальное движение щупа по измеряемой поверхности с постоянной скоростью. В состав прибора входят измерительная головка со стилусом и сканирующим механизмом. Получение двухмерных сканов в направлении X при шаге в направлении Y на 5 м с помощью ходового винта Y. Он используется для точного позиционирования образца и дает трехмерное изображение.
Оптический метод
Согласно исследованию, для определения шероховатости поверхности используются различные оптические методы.
Общую оценку можно провести с помощью оптического микроскопа, который дает только качественные данные. Геометрический и физический подходы представляют собой два типа оптические методы. Конусное и легкое секционирование — это два геометрических подхода. Зеркальные и диффузные отражения, спекл-паттерны и оптическая интерференция являются примерами физических подходов.
Методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ)
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) — группа оборудования, основанная на сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Первым методом получения трехмерного изображения поверхности твердого тела с атомным разрешением является сканирующая зондовая микроскопия.
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)
STM работает по простому принципу. Острое металлическое острие (один электрод туннельного перехода) подносится достаточно близко к исследуемой поверхности (второй электрод), так что туннельный ток варьируется от 0.2 до 10 нА, что можно измерить при удобном рабочем напряжении (от 10 мВ до 2 В). На расстоянии от 0.3 до 1 нм игла сканируется по поверхности и измеряется туннельный ток между иглой и поверхностью.
Атомно-силовая микроскопия (АСМ)
АСМ сочетает в себе принципы СТМ и профилировщика щупа. Чтобы определить близость наконечника к образцу в АСМ, вместо туннельного тока измеряется сила между образцом и наконечником. Перемещение образца с помощью пьезоэлектрических сканеров приводит к контакту острого наконечника на конце кантилевера с поверхностью образца. Это режим функционирования известен как «режим отталкивания» или «режим контакта». Атомно-силовая микроскопия — это нанопрофилировщик, который может работать с очень маленькими образцами. Этот подход определяет шероховатость поверхности с латеральным разрешением от микроскопических до атомных масштабов. Этот метод чаще всего используется для масштабирования шероховатости с очень высоким латеральным разрешением, таким как наномасштабная шероховатость.
Жидкостные методы
Эти методы в основном используются в службах постоянной оценки (контроля качества). Так как они работают, не касаясь поверхности, и чрезвычайно быстры. Это дает числовые данные, которые могут эмпирически коррелировать с шероховатостью. Гидравлический и пневматический методы измерения являются двумя наиболее широко используемыми методами.
Электрический метод
Этот метод использует емкостной подход, основанный на идее параллельного конденсатора. Емкость между двумя проводящими элементами связана с их площадью и диэлектрической проницаемостью среды, но обратно пропорциональна их разделению. Довольно просто рассчитать эффективную емкость между шероховатой поверхностью и гладким поверхностным диском для различных детерминированных моделей. Она рассматривается как сумма ряда небольших элементарных областей на разных высотах. Шероховатость поверхности влияет на емкость между гладкой поверхностью диска и измеряемой поверхностью. На основе этой предпосылки доступен коммерческий инструмент. В процессах непрерывного контроля также используется емкостной метод.
Электронная микроскопия
Как отраженная, так и репликационная электронная микроскопия могут выявить макроскопические и микроскопические характеристики поверхности. Однако у них есть два основных недостатка: во-первых, трудно получить количественные данные; и, во-вторых, из-за присущей им ограниченности поля зрения они отображают лишь несколько неровностей, тогда как важным моментом в контакте с поверхностью является то, что он включает в себя огромное количество взаимодействующих неровностей.
В конечном итоге выбранный метод измерения во многом зависит от приложения пользователя. Для операций контроля в процессе производства используются методы измерения, основанные на зеркальном, диффузном и спекл-отражении. Гидравлические или электрические технологии могут использоваться для непрерывной проверки (контроля качества), требующей минимума информации.
Национальный стандарт по допускам обработки с ЧПУ
Фото Мастерс on Unsplash
Изменения могут происходить по разным причинам, начиная от материала детали и заканчивая используемым процессом обработки. Вот почему на этапе проектирования детали задаются допуски обработки – допустимое отклонение размеров детали.
Итак, что же такое допуски на обработку и почему они так важны? Продолжайте читать, чтобы узнать, как выбрать допуск, который применяется при обработке на станках с ЧПУ.
Каждая деталь компонента имеет размер и геометрическую форму. Функция детали включает ограничения на размер и вариации геометрических атрибутов (формы, ориентации и размещения), превышение которых наносит ущерб этой функции. Большинство инспекторов используют решение минимальной зоны для расчета допуски формы, что минимизирует максимальную ошибку между точками данных и опорным объектом.
Американский национальный институт стандартизации (англ.АНСИ Y14.5M-1982) установил стандартизированный подход к Национальному стандарту по определению размеров и допусков, известному как геометрические размеры и допуски (Стандарт GD&T Y14.5). Стандартизированный подход к отображению стандартов допусков на инженерных чертежах установлен для более широкого использования спецификаций допусков в качестве средства коммуникации.
Чтобы гарантировать, что аспекты размера и геометрии всех элементов регулируются, допуски на чертеже должны быть полными, т.е. ничего не следует предполагать или оставлять на усмотрение мастерской или инспекционного отдела. Использование общих допусков на размеры и геометрию облегчает обеспечение выполнения этого требования.
Стандарты допуска формы используются для регулирования производных элементов, поскольку точки из производного объекта не могут быть выбраны напрямую. Эти точки должны быть вычислены с использованием точек выборки извне. Но как выбрать допуск для обработки на станке с ЧПУ?
Что ж, геометрические размеры и допуски (стандарт GD&T Y14.5) помогают проектировщикам и производителям передавать информацию о допусках. К сожалению, в настоящее время не существует стандарта для проверки характеристики допуска.
Как уже говорилось, различные материалы и процессы обработки требуют различных допусков. Это означает, что допуски обработки не являются строго «стандартными». Однако некоторые производители установили правила для конкретных применений.
Некоторые механические мастерские требуют от клиентов допусков, и если они не предоставлены, они либо откажутся работать с деталью, либо будут использовать стандартный допуск, скажем, ±0.005 дюйма (0.127 мм). Допуск может быть больше или меньше 0.005.
Допустимые геометрические допуски ISO 2768
Меры предосторожности при толерантности
Следовательно, какие меры предосторожности следует учитывать при обработке на станках с ЧПУ? При расчете допусков следует учитывать множество важных аспектов. Они обсуждаются ниже;
- Материал: Не существует двух одинаковых материалов, и с некоторыми из них легче работать, чем с другими. Для определения допусков важно изучить термостойкость, твердость, жесткость и абразивность материала.
- Техника обработки: поскольку некоторые процедуры более точны, чем другие, тип используемой обработки может оказать существенное влияние на конечный результат.
- Отделка и покрытие. Небольшое количество материала добавляется на поверхность детали во время покрытия и отделки, что может изменить размеры детали настолько, что потребуется другой допуск.
- Стоимость: Методика становится более дорогой, если вы строго ограничиваете толерантность. Крайне важно поддерживать точную толерантность, чтобы оставаться экономически эффективным. Крайне важно убедиться, что ваша толерантность точна, но не чрезмерна.
Фото Дэниел Смит on Unsplash
Типы толерантности
Знаете ли вы, что ASME классифицирует различные типы допусков для целей механической обработки?
Геометрические размеры и допуски (GD&T) вообще определяет пять типов допусков:
- Допуски формы: фундаментальный геометрический допуск, который определяет форму детали.
- Допуски для профилей: Устанавливают границу вокруг поверхности, внутри которой должны находиться ее компоненты.
- Допуски по ориентации: определяют ориентацию формы относительно ссылки.
- Допуски местоположения: указывают положение объекта по отношению к точке отсчета.
- Биение: когда деталь вращается вокруг оси, определяется колебание биения целевой характеристики.
Шероховатость поверхности для обработки с ЧПУ
При выборе подходящей шероховатости поверхности для вашего проекта следует учитывать различные элементы. В зависимости от области применения продукта, желаемой долговечности, того, будет ли изделие полироваться или окрашиваться, важности точных размеров и бюджета проекта, средняя шероховатость (Ra) может быть выше или ниже.
При одинаковых допусках на размеры требования к шероховатости поверхности деталей, обработанных на станках с ЧПУ, различаются в зависимости от станка. Это вопрос стабильности кооперации. Критерии стабильности и взаимозаменяемости обработанных деталей различаются при проектировании и изготовлении механических деталей для различных типов станков.
Но каковы различные типы обработки и как можно начать? Давайте рассмотрим эту расширяющуюся область. В существующем руководстве по проектированию механических деталей представлены следующие три типа:
Шероховатость поверхности при обработке на станках с ЧПУ влияет на то, как созданный объект взаимодействует с окружающей средой. Типичная отделка после обработки на станках с ЧПУ гладкая на ощупь со средней шероховатостью (Ra3.2), но видны линии обработки от режущего инструмента. Большинство деталей можно изготовить с такой степенью шероховатости, хотя в некоторых случаях необходима более гладкая поверхность. При разработке скользящих деталей более гладкая поверхность может быть выгодной, поскольку она снижает трение между деталями и улучшает износостойкость.
Первый в основном используется в прецизионном оборудовании, требующем высокого уровня стабильности посадки. Во время эксплуатации или после непрерывной сборки предел износа обрабатываемых деталей не должен превышать 10% размерных допусков деталей. В основном это используется на трущихся поверхностях чрезвычайно важных обрабатываемых деталей, таких как внутренняя поверхность цилиндра, шейка шпинделя прецизионных станков, шейка шпинделя координатно-расточных станков и более точных долот, отвечающих весьма специфическим требованиям.
Другой используется в типичном прецизионном оборудовании, требующем высокой стабильности посадки и предела износа механических компонентов не более 25% размерной точности обработанной детали и очень плотной контактной поверхности. Машины, инструменты, поверхности, которые работают с подшипниками качения, конические отверстия и контактные поверхности, которые движутся с довольно высокой скоростью, — все это примеры его применения.
Третий тип в основном используется в машинах общего назначения, где предел износа механических частей не должен превышать 50% величины допуска на размер и отсутствуют контактные поверхности для относительно подвижных деталей, а также плотные поверхности, шпонки и рабочие поверхности шпоночных пазов; контактные поверхности с малой относительной скоростью перемещения, а также отверстие кронштейна, втулки, рабочая поверхность с отверстием под вал колеса, редуктора и т. д.
Фото Мастерс on Unsplash
Отношения ч/б шероховатости и толерантности
Теперь, как шероховатость и допуск связаны друг с другом при обработке с числовым программным управлением (ЧПУ)?
Чаще всего используется шероховатость поверхности, соответствующая уровню допуска.
Если чем меньше требования к точности размеров механических компонентов, тем ниже значение шероховатости поверхности механических деталей. Однако в нормальных условиях между ними не установлена установленная функциональная связь. Например, некоторые машины и инструменты требуют очень гладкой поверхности; ручки, маховики, сантехническое оборудование, пищевое оборудование и механические детали с измененной поверхностью.
Это означает, что требования к шероховатости поверхности высокие, а требования к допускам на размеры низкие. В типичных обстоятельствах уровень допуска и значение шероховатости поверхности деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ, с требованиями к допускам на размеры имеют разумную взаимосвязь.
Согласно некоторым руководствам и монографиям по проектированию механических компонентов, существует множество формул расчета. Он представляет собой взаимосвязь между шероховатостью поверхности и размерными допусками механических деталей. Вы можете прочитать список формул на выбор.
Когда вы действительно это прочтете. Вы заметите, что одна и та же эмпирическая формула используется с разными значениями. Это может вызвать замешательство у людей, имеющих очень ограниченные знания в этой области. Одновременно это усложняет подбор шероховатости поверхности при работе механических деталей.
Выбор принципа допуска для станка с ЧПУ
Обработка с помощью компьютерного числового управления (ЧПУ) требует предельной точности. В этой профессии даже миллиметры могут привести к серьезным ошибкам. К сожалению, ни одна машина не может гарантировать 100-процентную точность постоянно.
Следовательно, какой основной принцип допуска следует принять при обработке на станках с ЧПУ? Давайте исследуем эту вещь вместе.
Как мы знаем, допуск – это контроль правильности деталей, обработанных на станке с ЧПУ. Существуют стандартные допуски для деталей, обработанных на станках с ЧПУ, таких как резьба, вырезы и трубы. Стандартные допуски требуются для деталей, обработанных с помощью числового программного управления, для различных применений. Когда клиент не выбирает уровень допуска, большинство услуг по фрезерованию с ЧПУ предоставляют ±0.1 мм, что также является типичным стандартом допуска компонентов обработки с ЧПУ, указанным инженером-механиком. Наиболее распространенными во всем мире организациями по стандартизации, которые устанавливают допуски на обработку на станках с ЧПУ, являются Международная организация по стандартизации (ISO), Американское общество инженеров-механиков (ASME) и другие. Теперь обсудим их более подробно.
По сути, Международная организация по стандартизации (стандартами качества ISO 2768) стандарт разбит на две части, каждая из которых направлена на упрощение чертежей путем установления уровней точности в качестве общих правил:
- Общий допуск: его уровни описываются как f-тонкий, m-средний, c-грубый и v-очень грубый для линейных и угловых размеров.
- Геометрический допуск; Классы допусков H, K и L устанавливают геометрические допуски для элементов с разными уровнями точности.
В качестве иллюстрации рисунок может быть обозначен как Международная организация по стандартизации. ИСО 2768-МК, что означает, что он должен соответствовать пределам допуска для классов допуска "средний" Части 1 и "K" Части 2. Вы можете упростить свой чертеж, включив спецификацию ISO 2768 и избежав указания допусков для каждого размера и характеристики.
Стандарт состоит из общих рекомендаций, поскольку бывают ситуации, когда размер детали требует более жесткого допуска, чем те, которые определены в ISO 2768. Такие случаи являются обычными, поэтому просмотрите основную надпись чертежа на предмет общих требований к допускам и отметьте любые специальные требования. спецификации деталей или требования проекта.
Принимая во внимание, что Американское общество инженеров-механиков (АСМЭ Y14. 5) стандарт определяет геометрические размеры и символы допусков, определения и правила. Цель стандарта — гарантировать, что подробная информация будет четко предоставлена на протяжении всего процесса проектирования и производства механических компонентов.
По сути, он сообщает производственному персоналу и оборудованию, насколько точной и точной должна быть каждая регламентируемая функция детали. В инженерных чертежах и трехмерных твердотельных моделях, созданных компьютером, допуски на геометрические размеры и размеры (GD&T) используют символический язык, который выражает номинальную геометрию и ее допустимые отклонения.
Допуски выбираются в зависимости от производственного процесса. Как правило, чем выше допуск, тем ниже стоимость. Излишний выбор допуска несет в себе риск будущих и фактических сбоев в работе, ухудшения качества обслуживания, функциональной нежелательности и плохого внешнего вида. Предельные допуски является наиболее практичным и широко используемым. Он позволяет произвольно выбирать допуски по цепочке измерений и обеспечивает хорошее прилегание, но не учитывает производственные затраты.
Стандартные методы определения допусков не позволяют напрямую максимизировать затраты и допуски. Их основное внимание определение допусков чтобы конструкция работала в первую очередь и, желательно, была самой дешевой.
Нижняя линия
Следовательно, какова именно связь между шероховатостью поверхности и уровнем допуска при обработке на станках с ЧПУ?
Средняя текстура поверхности детали измеряется шероховатостью поверхности. Шероховатость поверхности, совместимая с уровнем допуска, является наиболее часто используемой. Чем меньше требования к точности размеров механических компонентов, тем ниже значение шероховатости поверхности механических деталей, однако, между ними нет постоянной функциональной связи в нормальных условиях.
Международная организация по стандартизации (ISO) и Американское общество инженеров-механиков (ASME) являются двумя наиболее распространенными международными организациями по стандартизации, которые определяют допуски обработки на станках с ЧПУ. Обычная обработка на станках с ЧПУ «как обработано» — гладкая на ощупь со средней шероховатостью (Ra3.2). Если они недоступны, используется стандартный допуск ± 0.005" (0.127 мм).
