Ytsträvhet är en viktig teknisk indikator som återspeglar det mikrogeometriska felet på bearbetningsdelens yta och är den primära grunden för att inspektera ytkvaliteten på bearbetningsdelar; oavsett om den är rimlig eller inte, är den direkt relaterad till bearbetningsdelarnas kvalitet, livslängd och produktionskostnad. Ytjämnhet avser de fint fördelade mikroojämnheterna på ytstrukturen, som består av tre element: ojämnhet, vågighet och form.
CNC-bearbetningstjänster (computer numerical control) kan bibehålla kontroll över delarnas toleranser. Ju högre tillverkningsindustrins noggrannhetsstandarder är, desto mindre toleransvärde. Ju större toleransen å andra sidan är, desto större och lägre noggrannhet krävs. När särskilda ytjämnhetsvärden krävs används efterbehandlingsmetoder sällan. Detta beror på att dessa processer är svåra att hantera och kan påverka delarnas dimensionstolerans.
Men hur korrelerar ytjämnhet och toleransnivå med varandra vid CNC-bearbetning? För att veta detta, fortsätt läsa för att utforska detta samband. Innan vi går vidare är det viktigt att känna till metoderna för mätning av ytjämnhet.
Metoder för att bestämma ytjämnhet
Det finns en mängd olika utrustningar tillgängliga för mätning av ytjämnhet. Men här är några exempel. två breda tekniker för att bestämma grovheten.
- Kontakt typ
- Kontaktlös typ
Låt oss gå vidare till en djupgående analys av dessa tekniker. En kontaktform av analys där en komponent i mätanordningen faktiskt kommer i kontakt med ytan som ska mätas under experimentet. Men vid kontaktmätning kan en vass nålspets skada ytan, särskilt mjuka ytor. De normala belastningarna måste vara tillräckligt låga för dessa mätningar så att kontaktspänningarna inte överstiger hårdheten på den yta som ska testas. Kontaktmätningsinstrument med elektronisk förstärkning är mest populära idag. Internationella standardiseringsorganisationen (ISO) rekommenderar att nålstekniken vanligtvis används för referensändamål.
En beröringsfri optisk profilerare baserad på principen om tvåstrålsinterferometri, uppfunnen 1983 och används nu ofta för att mäta släta ytor inom elektronik- och optiksektorerna. Ett atomkraftsmikroskop, som i huvudsak är en nanoprofilerare som arbetar vid ultralåga belastningar, skapades 1985. Ytjämnhet kan mätas med lateral upplösning som varierar från mikroskopisk till atomär skala.
Denna utrustning används ofta i forskning för att kvantifiera extremt hög lateral upplösningsjämnhet, särskilt nanoskalig jämnhet. Det finns ett antal andra procedurer som demonstrerats i labbet men aldrig använts kommersiellt, eller som har använts i specialiserade tillämpningar. Baserat på den fysikaliska principen som används kommer vi att klassificera de olika teknikerna i sex kategorier:
Mekanisk stylus-, optisk-, svepprobmikroskopi (SPM), vätske-, elektrisk- och elektronmikroskopi.
Så, hur fungerar exakt alla dessa processer för mätning av ytjämnhet? Låt oss diskutera detta i detalj.
Mekanisk pennmetod
Denna teknik registrerar och förstärker nålens vertikala rörelse på ytan som ska mätas med konstant hastighet. Instrumentet består av ett nålsmäthuvud med en nålspets och en skanningsmekanism. Den gör tvådimensionella skanningar i X-riktningen samtidigt som man stegar 5 m i Y-riktningen med Y-skruven. Den används för exakt provpositionering och ger en tredimensionell bild.
Optisk metod
Enligt studien används olika optiska metoder för ytjämnhet.
En helhetsbedömning kan utföras med ett optiskt mikroskop, vilket endast ger kvalitativa data. Geometriska och fysikaliska metoder är två typer av optiska metoderKonisk sektionering och ljussektionering är två geometriska metoder. Speglande och diffusa reflektioner, fläckmönster och optisk interferens är exempel på fysikaliska metoder.
Metoder för svepprobmikroskopi (SPM)
Svepprobmikroskopi (SPM) är en grupp utrustningar baserade på sveptunnelmikroskopi (STM) och atomkraftsmikroskopi (AFM). Den första tekniken som används för att få en tredimensionell bild av en fast yta med atomär upplösning är svepprobmikroskopi.
Sveptunnelmikroskopi (STM)
STM fungerar på en enkel grund. En vass metallspets (en elektrod i tunnelövergången) förs tillräckligt nära ytan som ska sonderas (den andra elektroden) så att tunnelströmmen varierar från 0.2 till 10 nA, vilket är kvantifierbart vid en lämplig arbetsspänning (10 mV till 2 V). På ett avstånd av 0.3 till 1 nm skannas spetsen över en yta medan tunnelströmmen mellan spetsen och ytan mäts.
Atomkraftsmikroskopi (AFM)
AFM kombinerar STM med principerna för en stylusprofilerare. För att avkänna spetsens närhet till provet i AFM:n avkänns kraften mellan provet och spetsen snarare än tunnelströmmen. Genom att flytta provet med hjälp av piezoelektriska skannrar kommer en vass spets i änden av en utskjutande konsol i kontakt med provytan. Detta funktionssätt är känt som "repulsivt läge" eller "kontaktläge". Atomkraftsmikroskopi är en nanoprofilerare som kan arbeta med mycket små prover. Denna metod bestämmer ytjämnheten med lateral upplösning som sträcker sig från mikroskopisk till atomär skala. Denna metod används oftast för att skala ytjämnheter med en mycket hög lateral upplösning, såsom nanoskalig ytjämnhet.
Vätskemetoder
Dessa tekniker används mestadels för konstant bedömning (kvalitetskontroll). Eftersom de arbetar utan att vidröra ytan och är extremt snabba, ger detta numeriska data som empiriskt kan korrelera med ytjämnhet. De hydrauliska och pneumatiska mätmetoderna är de två mest använda teknikerna.
Elektrisk metod
Denna teknik använder kapacitansmetoden baserad på parallellkondensatoridén. Kapacitansen mellan två ledande element är relaterad till deras area och mediets dielektriska konstant, men är omvänt proportionell mot deras avstånd. Det är ganska enkelt att beräkna den effektiva kapacitansen mellan en grov yta och en slät ytskiva för olika deterministiska modeller. Den betraktas som summan av ett antal små elementareor på varierande höjder. Ytjämnheten påverkar kapacitans mellan en slät skivyta och ytan som ska mätas. Baserat på denna förutsättning finns ett kommersiellt instrument tillgängligt. Kontinuerliga inspektionsprocesser använder också kapacitansmetoden.
Elektronmikroskopi
Både reflektions- och replikelektronmikroskopi kan avslöja makroskopiska och mikroskopiska ytegenskaperDe har dock två huvudsakliga nackdelar: för det första är kvantifierbara data svåra att erhålla; och för det andra, på grund av deras i sig begränsade synfält, uppvisar de bara ett fåtal ojämnheter, medan den viktiga poängen med ytkontakt är att det involverar stora populationer av interagerande ojämnheter.
Vilken mätmetod som slutligen väljs beror starkt på användarens tillämpning. Mätmetoder baserade på spekulär reflektion, diffus reflektion eller fläckmönster används för inspektioner under processer. Vätske- eller elektriska tekniker kan användas för kontinuerlig inspektion (kvalitetskontroll) som kräver minimal information.
Nationell standard för CNC-bearbetningstolerans
Foto: Mästare on Unsplash
Variationer kan uppstå på grund av en mängd olika orsaker, allt från delens material till den bearbetningsprocess som används. Det är därför delar ges bearbetningstoleranser under hela designfasen – en mängd tillåten variation i en dels dimension.
Så, vad är bearbetningstoleranser, och varför är de viktiga? Fortsätt läsa för att ta reda på hur man väljer tolerans, vilken princip gäller för CNC-bearbetning.
Varje funktion på en komponent har en storlek och en geometrisk form. Delens funktion innebär begränsningar för variationer i storlek och geometriska attribut (form, orientering och placering), vilka, när de överskrids, skadar denna funktion. De flesta inspektörer använder lösningen med minsta zon för att beräkna formtoleranser, vilket minimerar det maximala felet mellan datapunkter och en referensfunktion.
Det amerikanska nationella standardiseringsinstitutet (ANSI Y14.5M-1982), etablerade en standardiserad metod för den nationella standarden för dimensionering och toleranser, känd som geometrisk dimensionering och tolerans (GD&T Y14.5-standard). En standardiserad metod för att visa toleransstandarder på tekniska ritningar har etablerats för att öka användningen av toleransspecifikationer som ett kommunikationsverktyg.
För att säkerställa att aspekterna av storlek och geometri för alla funktioner är reglerade bör toleranserna på ritningen vara fullständiga, dvs. ingenting bör antas eller lämnas åt bedömning i verkstaden eller inspektionsavdelningen. Användningen av generella storleks- och geometritoleranser gör det lättare att säkerställa att detta krav uppfylls.
Formtoleransstandarder används för att reglera de härledda objekten eftersom punkter från den härledda egenskapen inte kan samplas direkt. Dessa punkter måste beräknas med hjälp av samplade punkter utifrån. Men hur kan man välja tolerans för CNC-bearbetning?
Tja, den geometriska dimensionen och toleransen (GD&T Y14.5-standarden) är till hjälp för konstruktörer och tillverkare för att kommunicera toleransinformation. Tyvärr finns det för närvarande ingen standard för att verifiera toleransspecifikationer.
Som tidigare nämnts kräver olika material och bearbetningsprocesser olika toleranser. Det betyder att bearbetningstoleranser inte är exakt "standard". Vissa tillverkare har dock etablerat regler för specifika tillämpningar.
Vissa verkstäder kräver toleranser från kunderna, och om dessa inte tillhandahålls kommer de antingen att vägra att arbeta på komponenten eller använda en standardtolerans på, säg, ±0.005 tum (0.127 mm). Toleransen kan vara större eller mindre än 0.005.
ISO 2768 Tillåten geometrisk tolerans
Toleransåtgärder
Vilka toleransåtgärder bör därför beaktas vid CNC-bearbetning? Det finns många viktiga aspekter att beakta vid beräkning av toleranser. Dessa diskuteras nedan;
- Material: Det finns inga två material som är likadana, och vissa är lättare att arbeta med än andra. För att definiera toleranser är det avgörande att undersöka materialets värmestabilitet, hårdhet, styvhet och slipförmåga.
- Bearbetningsteknik: Eftersom vissa procedurer är mer exakta än andra kan den typ av bearbetning som används ha en betydande inverkan på slutresultatet.
- Finishing och plätering: Små mängder material tillsätts till ytan på en detalj under plätering och finishing, vilket kan ändra detaljens dimensioner tillräckligt för att kräva en annan tolerans.
- Kostnad: Tekniken är dyrare om man begränsar toleransen strikt. Det är avgörande att upprätthålla en exakt tolerans för att förbli kostnadseffektiv. Det är avgörande att se till att din tolerans är exakt, men inte överdrivet.
Foto: Daniel Smyth on Unsplash
Typer av tolerans
Känner du till ASME-kategoriernas olika typer av toleranser för bearbetningsändamål?
Geometrisk dimensionering och toleransbestämning (GD&T) specificerar fem typer av toleranser i allmänhet:
- Toleranser för form: En grundläggande geometrisk tolerans som dikterar detaljens form.
- Toleranser för profiler: Anger en gräns runt en yta inom vilken ytans beståndsdelar måste finnas.
- Toleranser för orientering: Bestämmer formens orientering i förhållande till en referens.
- Platstoleranser: Anger objektets position i förhållande till en referens.
- Runtkast: När en del roteras på en axel anges rundkastningsfluktuationen för ett måls funktion.
Ytjämnhet för CNC-bearbetning
Det finns olika faktorer att beakta när du väljer lämplig ytjämnhet för ditt projekt. Beroende på produktens tillämpning, önskad hållbarhet, om föremålet ska poleras eller målas, vikten av noggranna mått och projektets budget kan den genomsnittliga ytjämnheten (Ra) behöva vara högre eller lägre.
Med samma dimensionstoleranser varierar kraven på ytjämnhet hos deras CNC-bearbetningsdelar beroende på maskinen. Detta är frågan om samarbetets stabilitet. Kriterierna för stabilitet och utbytbarhet hos bearbetade delar varierar i design och tillverkning av mekaniska delar för olika typer av maskiner.
Men vilka olika typer av bearbetning finns det och hur kan man komma igång? Låt oss titta närmare på detta växande område. Följande tre typer representeras i den befintliga handboken för mekaniska delar:
Ytjämnhet vid CNC-bearbetning påverkar hur det skapade objektet interagerar med sin omgivning. En typisk CNC-bearbetningsfinish, "som bearbetad", är slät vid beröring med en genomsnittlig ytjämnhet (Ra3.2), men synliga bearbetningslinjer från skärverktyget är synliga. De flesta delar kan tillverkas med denna mängd ytjämnhet, även om en jämnare yta i vissa fall är nödvändig. Vid utveckling av glidande delar kan en jämnare yta vara fördelaktig eftersom det minskar friktionen mellan delarna och förbättrar slitageprestanda.
Den första används mestadels i precisionsmaskiner som kräver hög passformsstabilitet. Under drift eller efter kontinuerlig montering får slitagegränsen för bearbetade delar inte överstiga 10% av delarnas dimensionstolerans. Detta används främst på friktionsytor hos extremt viktiga bearbetade delar, som cylinderns insida, spindelhalsen på precisionsverktygsmaskiner, spindelhalsen på koordinatborrmaskiner och mer precisa borrar som uppfyller mycket specifika krav.
Den andra används i typisk precisionsutrustning som kräver hög passformsstabilitet, en slitagegräns för mekaniska komponenter på högst 25% av den bearbetade delens dimensionsnoggrannhet och en mycket nära kontaktyta. Maskiner, verktyg, ytor som arbetar med rullningslager, koniska pinnhål och kontaktytor som rör sig med ganska höga hastigheter är alla exempel på dess tillämpning.
Den tredje typen används främst i allmänna maskiner där slitagegränsen för mekaniska delar inte får överstiga 50% av dimensionstoleransvärdet och det inte finns några kontaktytor för relativa rörliga delar, likaså täta ytor, kilar och kilspårens arbetsyta; kontaktyta med låg relativ rörelsehastighet samt ett fästhål, bussning, arbetsyta med ett hål för hjulaxeln, reducerväxeln och så vidare.
Foto: Mästare on Unsplash
Relation svart/vitt Ojämnhet och Tolerans
Hur förhåller sig nu ytjämnhet och tolerans till varandra vid CNC-bearbetning (computer numeric control)?
Den ytjämnhet som är kompatibel med toleransnivån är den vanligast använda.
Om kraven på dimensionsnoggrannhet för mekaniska komponenter är lägre, sänk då ytjämnhetsvärdet för de mekaniska delarna. Det finns dock ingen etablerad funktionell koppling mellan dem under normala omständigheter. Vissa maskiner och instrument har krav på mycket släta ytor, till exempel handtag, rattar, sanitetsutrustning, livsmedelsmaskiner och mekaniska delar med förändrad yta.
Det betyder att kraven på ytjämnhet är höga men kraven på dimensionstolerans är låga. Under typiska omständigheter har toleransnivån och ytjämnhetsvärdet för CNC-bearbetade föremål med dimensionstoleranskrav ett rimligt förhållande.
Enligt vissa designmanualer och monografier för mekaniska komponenter finns det många beräkningsformler tillgängliga. De representerar förhållandet mellan ytjämnheten och dimensionstoleranserna hos mekaniska delar. Du kan läsa formellistan att välja från.
När du faktiskt läser den kommer du att märka att samma empiriska formel används med olika värden. Det kan orsaka förvirring för personer som har mycket begränsad kunskap inom detta område. Samtidigt gör det valet av ytjämnhet i arbetet med mekaniska delar mer komplext.
Val av toleransprincip för CNC-maskin
CNC-bearbetning (computer numerical control) kräver extrem noggrannhet. I detta yrke kan även millimetermått leda till stora misstag. Tyvärr kan ingen maskin garantera 100 procents noggrannhet hela tiden.
Vilken grundläggande toleransprincip bör därför användas för CNC-bearbetning? Låt oss utforska detta tillsammans.
Som vi vet är tolerans kontrollen av korrektheten hos CNC-bearbetade delar. Det finns standardtoleranser för CNC-bearbetade föremål som gängor, snitt och rör. Standardtoleranser krävs för numeriskt styrda bearbetade delar för en mängd olika tillämpningar. När kunden inte väljer toleransnivån erbjuder de flesta CNC-fräsningstjänster ±0.1 mm, vilket också är den typiska toleransstandarden för CNC-bearbetningskomponenter som specificeras av maskiningenjören. De vanligaste globala standardorganisationerna som fastställer CNC-bearbetningstoleranser är (ISO) International Organization for Standardization, (ASME) American Society of Mechanical Engineers och andra. Diskutera dem nu mer ingående.
I grund och botten Internationella standardiseringsorganisationen (ISO 2768 ) standarden är uppdelad i två delar, som var och en syftar till att förenkla ritningar genom att fastställa precisionsnivåer som allmänna regler:
- Allmän tolerans: Dess nivåer beskrivs som f-fin, m-medium, c-grov och v-mycket grov för linjära och kantiga dimensioner.
- Geometrisk tolerans; Toleransklasserna H, K och L fastställer geometriska toleranser för element med olika precisionsnivåer.
Som illustration kan en ritning betecknas som Internationella standardiseringsorganisationen ISO 2768-mK, vilket innebär att den måste följa toleransgränserna för del 1:s toleransklasser "medium" och del 2:s toleransklasser "K". Du kan förenkla din ritning genom att inkludera ISO 2768-specifikationen och undvika att specificera toleranser för varje dimension och funktion.
Standarden består av allmänna riktlinjer eftersom det finns situationer där en dimension på en detalj kräver en snävare tolerans än de som definieras i ISO 2768. Sådana händelser är vanliga, granska därför ritningens titelblock för allmänna toleranskrav och anteckna eventuella speciella detaljspecifikationer eller projektkrav.
Medan American Society of Mechanical Engineers (ASME Y14.5) standarden specificerar symboler, definitioner och föreskrifter för geometriska dimensioner och toleranser. Standardens syfte är att säkerställa att detaljerad information tillhandahålls tydligt genom hela design- och tillverkningsprocessen för mekaniska komponenter.
Den talar i grunden om för tillverkningspersonalen och utrustningen hur noggrann och precis varje reglerad funktion hos delen behöver vara. På tekniska ritningar och datorgenererade tredimensionella solidmodeller använder den geometriska och dimensionella toleransen (GD&T) ett symboliskt språk som uttrycker nominell geometri och dess tillåtna varians.
Toleranser väljs utifrån produktionsprocessen. Vanligtvis gäller att ju högre tolerans, desto lägre kostnaden. Överdriven toleransval medför risken för framtida och faktiska prestandaavbrott, försämrad service, funktionell oönskad funktion och dåligt utseende. Gränstolerans är den mest praktiska och mest använda. Den möjliggör godtyckligt val av toleranser för en mätkedja och säkerställer en god passform, men den tar inte hänsyn till produktionskostnader.
Standardmetoderna för att bestämma toleranser maximerar inte direkt kostnader och toleranser. Deras huvudfokus är definiera toleranser så att designen kan fungera först och helst vara den billigaste.
Poängen
Följaktligen, vad är exakt sambandet mellan ytjämnhet och toleransnivå vid CNC-bearbetning?
Den genomsnittliga texturen på en dels yta mäts med hjälp av ytjämnhet. Den ytjämnhet som är kompatibel med toleransnivån är den vanligaste. Ju lägre kraven på dimensionsnoggrannhet för mekaniska komponenter är, desto lägre är ytjämnhetsvärdet för de mekaniska delarna, men det finns ingen permanent funktionell koppling mellan dem under normala omständigheter.
Internationella standardiseringsorganisationen (ISO) och American Society of Mechanical Engineers (ASME) är de två vanligaste internationella standardorganisationerna som fastställer toleranser för CNC-bearbetning. En vanlig CNC-bearbetningsfinish "som bearbetad" är slät vid beröring med en genomsnittlig ytjämnhet (Ra3.2). Om dessa inte är tillgängliga används en standardtolerans på ± 0.005" (0.127 mm).
