Шорсткість поверхні є важливим технічним показником, який відображає мікрогеометричну похибку поверхні оброблюваної деталі і є першоосновою для перевірки якості поверхні оброблюваних деталей; незалежно від того, розумно це чи ні, це безпосередньо пов’язано з якістю деталей обробки, терміном служби та вартістю виробництва. Шорсткість поверхні стосується дрібно розташованих мікронерівностей на текстурі поверхні, яка складається з три елементи: шорсткість, хвилястість і форма.
Служба обробки з цифровим керуванням (ЧПК) може контролювати допуски деталей. Чим вищі стандарти точності виробничої промисловості, тим менше значення допуску. З іншого боку, чим більший допуск, тим ширша та нижча необхідна точність. Коли потрібні конкретні значення шорсткості поверхні, методи постобробки використовуються рідко. Це пояснюється тим, що цими процесами важко керувати, і вони можуть впливати на допуск на розміри деталей.
Але як шорсткість поверхні та рівень допуску співвідносяться між собою в обробці з ЧПК? Щоб знати, продовжуйте читати, щоб дослідити цей зв’язок. Перш ніж рухатися вперед, важливо знати методи вимірювання шорсткості поверхні.
Методи визначення шорсткості
Існує широкий вибір обладнання для вимірювання шорсткості. Але ось дві широкі техніки для визначення шорсткості.
- Тип контакту
- Безконтактний тип
Перейдемо до глибокого аналізу цих технік. Контактна форма аналізу, при якій компонент вимірювального пристрою фактично контактує з поверхнею, яка підлягає вимірюванню під час експерименту. Але під час вимірювання контактного типу гострий кінчик стилуса може пошкодити поверхню, особливо м’яку. Нормальні навантаження повинні бути достатньо низькими для цих вимірювань, щоб контактні напруги не перевищували твердість поверхні, що перевіряється. Найбільшою популярністю на сьогоднішній день користуються контактні стилуси з електронним підсиленням. Міжнародна організація стандартизації (ISO) рекомендує, щоб стилус зазвичай використовувався для довідкових цілей.
Безконтактний оптичний профайлер, заснований на принципі двопроменевої оптичної інтерферометрії, винайдений у 1983 році та зараз широко використовується для вимірювання гладких поверхонь в електроніці та оптиці. Атомно-силовий мікроскоп, який, по суті, є нанопрофілювачем, який працює при наднизьких навантаженнях, був створений у 1985 році. Шорсткість поверхні можна виміряти з боковою роздільною здатністю, яка варіюється від мікроскопічних до атомних масштабів.
Це обладнання часто використовується в дослідженнях для кількісного визначення шорсткості надзвичайно високої бічної роздільної здатності, особливо шорсткості нанорозміру. Існує низка інших процедур, продемонстрованих у лабораторії, але ніколи не застосовуваних у комерційних цілях або які використовувалися в спеціалізованих програмах. На основі фізичного принципу ми класифікуємо різні техніки шість категорій:
Методи механічної стилусної, оптичної, скануючої зондової мікроскопії (SPM), рідинної, електричної та електронної мікроскопії.
Отже, як саме працюють усі ці процеси для вимірювання шорсткості поверхні? Давайте обговоримо це детально.
Метод механічного стилуса
Ця техніка фіксує та підсилює вертикальний рух стилуса на поверхні, що підлягає вимірюванню, з постійною швидкістю. Прилад складається із вимірювальної голівки стилуса з наконечником стилуса та скануючого механізму. Отримання двовимірних сканів у напрямку X під час кроку в напрямку Y на 5 м із ходовим гвинтом Y. Він використовується для точного позиціонування зразка та дає тривимірне зображення.
Оптичний метод
Відповідно до дослідження, різні оптичні методи використовуються для шорсткості поверхні.
Загальну оцінку можна проводити за допомогою оптичного мікроскопа, який дає лише якісні дані. Геометричний і фізичний підходи є двома типами оптичні методи. Конусне розрізання та легке розрізання є двома геометричними підходами. Прикладами фізичних підходів є дзеркальні та дифузні відбиття, візерунки спеклів і оптична інтерференція.
Методи скануючої зондової мікроскопії (SPM).
Скануюча зондова мікроскопія (СЗМ) — це група обладнання, засноване на скануючій тунельній мікроскопії (СТМ) і атомно-силовій мікроскопії (АСМ). Перший метод, використаний для отримання тривимірного зображення твердої поверхні з атомарною роздільною здатністю, — це скануюча зондова мікроскопія.
Скануюча тунельна мікроскопія (СТМ)
STM працює на простій основі. Гострий металевий вістря (один електрод тунельного переходу) підноситься досить близько до досліджуваної поверхні (другий електрод), щоб тунельний струм змінювався від 0.2 до 10 нА, який піддається кількісному вимірюванню при зручній робочій напрузі (від 10 мВ до 2 мВ). V). На відстані від 0.3 до 1 нм наконечник сканується по всій поверхні, а тунельний струм між наконечником і поверхнею вимірюється.
Атомно-силова мікроскопія (АСМ)
AFM поєднує STM із принципами профайлера стилуса. Щоб відчути близькість наконечника до зразка в АСМ, вимірюється сила між зразком і наконечником, а не тунельний струм. Під час переміщення зразка за допомогою п’єзоелектричних сканерів гострий наконечник на кінці кантилевера стикається з поверхнею зразка. Це режим функціонування відомий як «режим відштовхування» або «режим контакту». Атомно-силова мікроскопія — це нанопрофілювач, який може працювати з дуже маленькими зразками. Цей підхід визначає шорсткість поверхні з боковою роздільною здатністю в діапазоні від мікроскопічних до атомних масштабів. Цей метод найчастіше використовується для масштабування шорсткості з дуже високою боковою роздільною здатністю, наприклад нанорозмірної шорсткості.
Рідинні методи
Ці методи в основному використовуються в службі для операцій постійної оцінки (контролю якості). Так як вони працюють, не торкаючись поверхні і надзвичайно швидкі. Це дає числові дані, які можуть емпірично співвідноситися з шорсткістю. Гідравлічний і пневматичний методи вимірювання є двома найбільш широко використовуваними методами.
Електричний метод
Ця техніка використовує ємнісний підхід, заснований на ідеї паралельного конденсатора. Ємність між двома провідними елементами пов’язана з їхньою площею та діелектричною проникністю середовища, але обернено пропорційна їх відстані. Досить просто обчислити ефективну ємність між шорсткою поверхнею та диском з гладкою поверхнею для різних детермінованих моделей. Його вважають сумою кількох невеликих елементарних площ на різній висоті. Шорсткість поверхні впливає на ємність між гладкою поверхнею диска та поверхнею, що підлягає вимірюванню. Виходячи з цієї передумови, доступний комерційний інструмент. У процесах безперервного контролю також використовується ємнісний метод.
Електронна мікроскопія
Як відбивна, так і повторна електронна мікроскопія можуть виявити макроскопічні та мікроскопічні характеристики поверхні. Проте вони мають два основні недоліки: по-перше, важко отримати кількісні дані; і по-друге, через їх внутрішньо обмежене поле зору вони демонструють лише кілька нерівностей, тоді як важливий момент щодо поверхневого контакту полягає в тому, що він включає величезну популяцію взаємодіючих нерівностей.
Метод вимірювання, який остаточно обирається, сильно залежить від програми користувача. Методи вимірювання, засновані на дзеркальному відображенні, дифузному відображенні або спекл-структурі, використовуються для операцій контролю в процесі роботи. Рідинні або електричні технології можуть бути використані для безперервної перевірки (контролю якості), яка вимагає мінімум інформації.
Національний стандарт для обробки з ЧПК
Фото Мастарс on Unsplash
Відхилення можуть виникати через низку причин, починаючи від матеріалу деталі та закінчуючи застосованим процесом обробки. Ось чому на етапі проектування деталям надаються допуски на обробку – кількість допустимих коливань у розмірах деталі.
Отже, що таке допуски на обробку і чому вони важливі? Продовжуйте читати, щоб дізнатися, як вибрати допуск, цей принцип стосується обробки з ЧПК.
Кожна функція компонента має розмір і геометричну форму. Функція частини передбачає обмеження розміру та варіації геометричних атрибутів (форми, орієнтації та розміщення), перевищення яких пошкоджує цю функцію. Більшість інспекторів використовують рішення мінімальної зони для розрахунку допуски форми, що мінімізує максимальну похибку між точками даних і опорним об’єктом.
Американський національний інститут стандартів (ANSI Y14.5M-1982), встановив стандартизований підхід для національного стандарту з визначення розмірів і допусків, відомого як геометричні розміри та допуски (стандарт GD&T Y14.5). Стандартизований підхід до відображення стандартів допусків на технічних кресленнях створено для збільшення використання специфікацій допусків як засобу зв’язку.
Щоб гарантувати, що аспекти розміру та геометрії всіх елементів регулюються, допуски на кресленні повинні бути повними, тобто нічого не можна припускати або залишати на розсуд у майстерні чи відділі перевірки. Використання загальних допусків на розмір і геометрію полегшує забезпечення дотримання цієї вимоги.
Стандарти допуску форми використовуються для регулювання похідних елементів, оскільки точки з похідної функції не можуть бути відібрані безпосередньо. Ці точки повинні бути обчислені з використанням вибіркових точок із зовнішнього боку. Але як вибрати допуск для обробки з ЧПУ?
Що ж, геометричні розміри та допуски (стандарт GD&T Y14.5) корисні для розробників і виробників для передачі інформації про допуски. На жаль, наразі немає стандарту для перевірки специфікації допуску.
Як зазначалося раніше, різні матеріали та процеси обробки вимагають різних допусків. Це означає, що допуски на обробку не зовсім «стандартні». Однак деякі виробники встановили правила для певних застосувань.
Деякі механічні майстерні вимагають від клієнтів допуски, і якщо вони не надаються, вони або відмовляться працювати над компонентом, або використовують стандартний допуск, скажімо, ±0.005'' (0.127 мм). Допуск може бути більшим або меншим за 0.005.
ISO 2768 Допустимий геометричний допуск
Запобіжні заходи щодо толерантності
Отже, які запобіжні заходи щодо допуску слід враховувати при обробці з ЧПУ? Існує багато важливих аспектів, які слід враховувати під час розрахунку допусків. Вони обговорюються нижче;
- Матеріал: немає двох однакових матеріалів, і з деякими легше працювати, ніж з іншими. Щоб визначити допуски, дуже важливо вивчити термостійкість, твердість, жорсткість і абразивність матеріалу.
- Техніка обробки: оскільки певні процедури більш точні, ніж інші, тип використовуваної обробки може мати значний вплив на кінцевий результат.
- Оздоблення та покриття: невелика кількість матеріалу додається на поверхню деталі під час покриття та обробки, що може змінити розміри деталі настільки, щоб виникла потреба в іншому допуску.
- Вартість: Техніка дорожча, якщо ви суворо обмежите толерантність. Дуже важливо підтримувати точний допуск, щоб залишатися економічно ефективним. Дуже важливо переконатися, що ваша толерантність є точною, але не надмірною.
Фото Деніел Сміт on Unsplash
Види толерантності
Чи знаєте ви категорії різних типів допусків ASME для цілей обробки?
Геометричні розміри та допуски (GD&T) загалом визначає п’ять типів допусків:
- Допуски на форму: основний геометричний допуск, який визначає форму деталі.
- Допуски для профілів: встановлює межу навколо поверхні, у межах якої повинні міститися складові поверхні.
- Допуски для орієнтації: визначає орієнтацію форми щодо посилання.
- Допуски розташування: вказує на положення об’єкта відносно посилання.
- Вибіг: коли деталь обертається навколо осі, вказується коливання вибігу цільової функції.
Шорсткість поверхні для обробки з ЧПУ
Існують різні елементи, які слід враховувати при виборі відповідної шорсткості поверхні для вашого проекту. Залежно від застосування виробу, бажаної довговічності, того, чи буде виріб поліровано чи пофарбовано, важливості точних розмірів і бюджету проекту, середнє значення шорсткості (Ra) може бути вищим або нижчим.
Відповідно до тих самих допусків на розміри, вимоги до шорсткості поверхні їхніх деталей з ЧПК відрізняються залежно від машини. Це питання стабільності співпраці. Критерії стабільності та взаємозамінності оброблених деталей різняться при проектуванні та виготовленні механічних частин для різних типів машин.
Але які є різні типи обробки і з чого почати? Давайте розглянемо це поле, що розширюється. У існуючому посібнику з проектування механічних частин представлені наступні три типи:
Шорсткість поверхні при обробці з ЧПК впливає на те, як створений об’єкт взаємодіє з навколишнім середовищем. Типове оброблене оброблення з ЧПК є гладким на дотик із середньою шорсткістю (Ra3.2), але видимі лінії обробки від ріжучого інструменту. Більшість деталей можна виготовити з такою шорсткістю, хоча в деяких випадках потрібна більш гладка поверхня. При розробці деталей ковзання більш гладка поверхня може бути перевагою, оскільки вона зменшує тертя між частинами та покращує показники зносу.
Перший здебільшого використовується в точних машинах, які вимагають високого рівня стійкості підгонки. Під час експлуатації або після безперервного складання межа зносу оброблених деталей не повинна перевищувати 10% допуску на розміри деталей. Це здебільшого використовується на тертьових поверхнях надзвичайно важливих деталей, що оброблюються, як-от внутрішня поверхня циліндра, шийка шпинделя прецизійних верстатів, шийка шпинделя координатно-розточувальних верстатів і більш точних коронок, які відповідають дуже особливим вимогам.
Інший використовується в типовому прецизійному обладнанні, яке вимагає високої стабільності підгонки, обмеження зносу механічних компонентів не більше ніж 25% точності розмірів обробленої деталі та дуже близької контактної поверхні. Машини, інструменти, поверхні, які працюють з підшипниками кочення, конічні отвори та контактні поверхні, які рухаються з досить високими швидкостями, — усе це приклади його застосування.
Третій тип в основному використовується в загальних машинах, де межа зносу механічних частин не повинна перевищувати 50% величини допуску на розміри і відсутні контактні поверхні для відносно рухомих частин, а також щільні поверхні, шпонки та робоча поверхня шпонкових пазів; контактна поверхня з малою відносною швидкістю руху, а також отвір під кронштейн, втулка, робоча поверхня з отвором для вала колеса, редуктора тощо.
Фото Мастарс on Unsplash
Відношення ч/б Грубість і Толерантність
А тепер, як шорсткість і допуск співвідносяться між собою в обробці з ЧПК?
Найчастіше використовується шорсткість поверхні, яка відповідає рівню допуску.
Якщо вимоги до точності розмірів для механічних компонентів нижчі, то слід зменшити значення шорсткості поверхні механічних частин. Однак за звичайних обставин між ними не існує встановленого функціонального зв’язку. Деякі машини та інструменти мають вимоги до дуже гладкої поверхні, наприклад; ручки, маховички, сантехнічне обладнання, харчове обладнання та механічні частини зі зміненою поверхнею.
Це означає, що вимоги до шорсткості поверхні високі, але вимоги до допуску розмірів низькі. За типових обставин рівень допуску та значення шорсткості поверхні елементів обробки з ЧПК із вимогами допуску на розміри мають розумний зв’язок.
Відповідно до деяких посібників з проектування механічних компонентів і монографій, доступно багато формул розрахунку. Він відображає співвідношення між шорсткістю поверхні та допусками на розміри механічних частин. Ви можете прочитати список формул на вибір.
Коли ви насправді це прочитаєте. Ви помітите, що та сама емпірична формула використовується з різними значеннями. Це може викликати плутанину у людей, які мають дуже обмежені знання в цій галузі. Одночасно це ускладнює вибір шорсткості поверхні в роботі механічних частин.
Вибір принципу допуску для верстата з ЧПК
Обробка з числовим програмним керуванням (ЧПК) вимагає надзвичайної точності. У цій професії навіть міліметри можуть призвести до великих помилок. На жаль, жодна машина не може гарантувати 100-відсоткову точність постійно.
Отже, який основний принцип допуску слід прийняти для обробки з ЧПУ? Давайте досліджувати це питання разом.
Як ми знаємо, толерантність - це контроль правильності оброблених деталей з ЧПК. Існують стандартні допуски для деталей, оброблених з ЧПУ, таких як різьби, вирізи та труби. Стандартні допуски необхідні для оброблених деталей з числовим керуванням для різних застосувань. Якщо клієнт не вибирає рівень допуску, більшість фрезерних послуг з ЧПК надають ±0.1 мм, що також є типовим стандартом допуску для компонентів обробки з ЧПК, визначеним інженером-механіком. Найчастішими міжнародними стандартними організаціями, які встановлюють допуски для обробки з ЧПК, є (ISO) Міжнародна організація зі стандартизації, (ASME) Американське товариство інженерів-механіків та інші. Тепер обговоріть їх докладніше.
По суті, Міжнародна організація стандартизації (ISO 2768) стандарт розбитий на дві частини, кожна з яких спрямована на спрощення креслень шляхом встановлення рівнів точності як загальних правил:
- Загальний допуск: його рівні описуються як f-тонкий, m-середній, c-грубий і v-дуже грубий для лінійних і кутових розмірів.
- Геометричний допуск; Класи допуску H, K і L встановлюють геометричні допуски для елементів з різними рівнями точності.
Як приклад, креслення можна позначити як Міжнародну організацію стандартизації ISO 2768-mK, що означає, що він повинен відповідати межам допуску для класів допуску «середній» Частини 1 і класів допуску «K» Частини 2. Ви можете спростити свій малюнок, включивши специфікацію ISO 2768 і уникнувши вказівки допусків для кожного розміру та функції.
Стандарт складається із загальних вказівок, оскільки існують ситуації, коли розміри деталі вимагають більшого допуску, ніж ті, що визначені ISO 2768. Такі випадки є звичайними, тому перегляньте блок заголовка креслення на загальні вимоги допуску та занотуйте будь-які особливі вимоги. специфікації деталей або вимоги до проекту.
Тоді як Американське товариство інженерів-механіків (ASME Y14. 5) стандарт визначає геометричні розміри та символи допусків, визначення та правила. Мета стандарту полягає в тому, щоб гарантувати, що докладна інформація надається зрозуміло протягом усього процесу проектування та виробництва механічних компонентів.
По суті, це повідомляє виробничому персоналу та обладнанню, наскільки точною та точною має бути кожна регульована функція деталі. На інженерних кресленнях і створених комп’ютером тривимірних твердотільних моделях геометричні та розмірні допуски (GD&T) використовують символьну мову, яка виражає номінальну геометрію та її допустиму дисперсію.
Допуски вибираються відповідно до виробничого процесу. Як правило, чим вищий допуск, тим нижча вартість. Надмірне вибір допуску несе ризик передбачуваних і фактичних збоїв у роботі, погіршення якості обслуговування, небажаного функціонування та поганого зовнішнього вигляду. Обмеження толерантності є найбільш практичним і широко використовуваним. Він дозволяє довільно вибирати допуски для ланцюга вимірювань і забезпечує гарну посадку, але не враховує витрати на виробництво.
Стандартні методи визначення допусків безпосередньо не максимізують витрати та допуски. Їх основна увага визначення допусків щоб дизайн працював першим і, бажано, був найдешевшим.
Суть
Отже, який саме зв’язок між шорсткістю поверхні та рівнем допуску при обробці з ЧПК?
Середня текстура поверхні деталі вимірюється шорсткістю поверхні. Найчастіше використовується шорсткість поверхні, яка відповідає рівню допуску. Чим менші вимоги до точності розмірів для механічних компонентів, тим менше значення шорсткості поверхні механічних частин, однак за звичайних обставин між ними немає постійного функціонального зв’язку.
Міжнародна організація стандартизації (ISO) і Американське товариство інженерів-механіків (ASME) є двома найпоширенішими міжнародними організаціями зі стандартизації, які визначають допуски для обробки з ЧПК. Звичайне оброблення з ЧПК гладке на дотик із середньою шорсткістю (Ra3.2). Якщо вони недоступні, використовується стандартний допуск як ± 0.005" (0.127 мм).
