Pełny artykuł dostępny dla abonentów!

Przestrzenne (stereometryczne) parametry struktury geometrycznej powierzchni – 3D

1.1.2011, , Źródło: Wydawnictwo Verlag Dashofer Sp. z o.o.

Wraz ze wzrostem postępu technicznego w konstrukcji części maszyn i urządzeń coraz częściej wymagane jest określenie przestrzennych (stereometrycznych) parametrów chropowatości powierzchni. Parametry te określane w trójwymiarowej przestrzeni są również nazywane parametrami chropowatości 3D. Znajdują one coraz częściej zastosowanie przy ustalaniu warunków technicznych dotyczących kształtowania struktury geometrycznej powierzchni za pomocą różnych sposobów obróbki wykończeniowej, takiej która zapewnia prawidłowe działanie współpracujących części maszyn. Strukturą geometryczną (stereometryczną) powierzchni nazywa się ogólnie wszystkie jej nierówności powstałe w trakcie obróbki, w skład których wchodzą: odchyłki kształtu, falistość, kierunkowość śladów obróbki i chropowatość. Chropowatość jest uważana za jeden z najistotniejszych wyróżników stanu warstwy wierzchniej (WW). Przestrzenne parametry chropowatości dzielą się na trzy podstawowe grupy:

  • Podstawowe parametry, funkcje i rozkłady określające cechy mikrostereometrii powierzchni 3D, które mają definicje i symbole wynikające z definicji i symboli parametrów profili chropowatości powierzchni 2D.

  • Parametry łączące cechy powierzchniowe i objętościowe związane bezpośrednio lub pośrednio z nośnością powierzchni oraz parametry opisujące przestrzenną krzywą nośności.

  • Parametry polowe − horyzontalne.

Do pomiarów i określenia parametrów chropowatości powierzchni 3D służą skomputeryzowane systemy pomiarowe. Systemy te umożliwiają skanowanie określonego pola powierzchni przedmiotu i zapis współrzędnych poszczególnych profili chropowatości w pamięci komputera, a następnie obliczenie wszystkich wymaganych parametrów przestrzennych 3D chropowatości, falistości lub błędów kształtu oraz ich prezentację graficzną. Możliwy jest również pomiar i obliczenie wszystkich parametrów 2D, jak również ich reprezentacja graficzna. Urządzenia do pomiarów chropowatości przestrzennej nazywane są profilografometrami, które na ogół mają również możliwość dokładnego pomiaru zarysu konturów przedmiotu w określonych przekrojach. Do pomiaru konturów stosuje się inne rodzaje końcówek pomiarowych niż do pomiarów chropowatości. Pomiary odbywają się automatycznie na przyrządach ze sterowaniem CNC. Metoda stykowa jest najczęściej spotykanym sposobem badania struktury geometrycznej powierzchni, często oznaczanej skrótem SGP. Pomiar jest realizowany za pomocą głowicy profilografometru z końcówką diamentową przemieszczającą się wzdłuż badanej powierzchni. Zmienne w czasie przemieszczenia ostrza diamentowego odwzorowują profil i są przetwarzane na sygnały elektryczne, które są wzmacniane i filtrowane w miarę potrzeby, a następnie transformowane na ciąg wartości liczbowych. Nowoczesne urządzenia pomiarowe są urządzeniami cyfrowymi, wobec czego zbieranie danych ma charakter dyskretny i odbywa się z odpowiednim krokiem próbkowania. W tym przypadku bardzo ważna jest rozdzielczość pionowa układu zależna od przyjętego zakresu pomiarowego, który jest uwarunkowany maksymalną wysokością nierówności chropowatości. Zbiór wartości współrzędnych wysokości zi zarejestrowanych w równych odstępach Δxi współrzędnej x jest przetwarzany na wartości analizowanych parametrów profilu 2D. Rejestrując szereg takich zbiorów profili w płaszczyznach równoległych, wykonanych w równych odstępach Δyj współrzędnej yj, tworzy się przestrzenny zbiór danych, który jest przetwarzany na wartości określonych parametrów przestrzennych 3D. Metoda taka jest metodą profilową. Wizualizacja trójwymiarowego obrazu badanej powierzchni odbywa się z wykorzystaniem metod kartograficznych. Rezultatem jest uzyskanie mapy powierzchni w następujących postaciach: układu warstwic, odcieni szarości, zmiany intensywności kolorów lub obrazu izometrycznego. Rzuty aksonometryczne (na ogół kolorowe) są najczęściej stosowane z uwagi na dobrą przejrzystość. Istotą takiego rzutu jest nałożenie na siebie kolejnych linii profilu i ukryciu linii niewidocznych. Trójwymiarowe obrazy lepiej reprezentują naturę rzeczywistych powierzchni i mogą być prezentowane z różnymi powiększeniami.

Parametry grupy I

Parametry grupy pierwszej są następujące:

Sa − średnie arytmetyczne odchylenie nierówności powierzchni od płaszczyzny odniesienia

Sq − średnie kwadratowe odchylenie nierówności powierzchni od płaszczyzny odniesienia

St − największa odległość pionowa pomiędzy szczytem największego wierzchołka i najniższym zagłębieniem powierzchni
Sp − wysokość najwyższego wierzchołka od powierzchni odniesienia
Sv − głębokość najniższego zagłębienia powierzchni
Sz − średnia odległość z 10 punktów pomiędzy pięcioma najwyższymi wierzcho łkami i pięcioma najniższymi zagłębieniami powierzchni (ten parametr zawiera norma EUR 15178 EN)
Ssk − skośność (asymetria) rozkładu rzędnych powierzchni

Zx,y − wartość współrzędnej pionowej z mierzonej powierzchni wyznaczona w określonym punkcie x, y płaszczyzny układu współrzędnych.

Parametry grupy II

Parametry grupy drugiej są następujące:

STp − powierzchniowy udział nośny wzniesień powierzchni przy założonym położeniu płaszczyzny tnącej (współczynnik pola powierzchni nośnej) − oznaczany również STp(c) lub Smr(c)
SHTp − wysokość rdzenia powierzchni odpowiadająca założonemu powierzchniowemu udziałowi nośnemu (praktycznie zaleca się przyjmowanie powierzchniowego udziału nośnego w zakresie 10−80%
Smvr − średnia objętość wgłębień powierzchni na jednostkowej powierzchni
Smmr − średnia objętość materiału wzniesień na jednostkowej powierzchni

Parametry grupy III

Parametry grupy trzeciej są następujące:

SPc − gęstość wierzchołków powierzchni pomiędzy dwoma płaszczyznami tnącymi
Sds − gęstość wierzchołków powierzchni, tj. liczba wierzchołków przypadająca na jednostkę powierzchni
Sal − najmniejsza długość odcinka, na którym funkcja autokorelacji osiąga wartość 0,2
Str − stopień kierunkowości powierzchni − powierzchnia anizotropowa (duże ukierunkowanie) <0,5 − powierzchnia izotropowa (małe ukierunkowanie) 0,5−1
Std − odchylenie głównego kierunku tekstury powierzchni od osi 90° prostopadłej do kierunku (zbierania danych) osi x.

Podstawowe różnice SGP między pomiarami oraz parametrami profilu 2D i parametrami przestrzennymi 3D

Podstawowe różnice wynikają między innymi z określenia:

  • układu odniesienia; dla profilu 2D jest to linia prosta, natomiast dla 3D płaszczyzna (linia odniesienia jest lepiej dopasowana do profilu niż płaszczyzna odniesienia do powierzchni mierzonej; dlatego dla profilu otrzymujemy mniejsze odchylenie standardowe niż dla powierzchni),

  • liczebności próbki (pomiar 3D zawiera o ok. dwa rzędy więcej danych niż pomiar profilu 2D),

  • sposób filtrowania R/W (znormalizowany odcinek elementarny − 2D, płaszczyzna elementarna − 3D),

  • informacji, która zawiera wynik pomiaru; mikrostereometria zawiera dane powierzchniowe (wzajemny układ śladów obróbki, geometrię powierzchni ortotropowej wzdłuż śladów obróbki, anizotropię itp.; informacji tych brak jest w wynikach pomiarów profili 2D),

  • SGP 3D zawiera informacje o punktach ekstremalnych powierzchni − szczyty i doliny, podczas gdy pomiary profili informują tylko o położeniu wybranych punktów grzbietów nierówności.

Podstawowe parametry, funkcje i rozkłady opisujące cechy mikrostereometrii powierzchni mają definicje i symbole wynikające z definicji i symboli parametrów profili chropowatości powierzchni. Poniżej zestawiono parametry wysokościowe mikrostereometrii i odpowiadające im parametry profili chropowatości:

  • Sa − Ra

  • Sq − Rq

  • St − Rm

  • Sz − Rz

  • Sp − Rp

  • Sv − Rv

  • Ssk − Rsk

  • Sku − Rku

Spotykane są również oznaczenia symboliczne opisujące cechy mikrostereometrii zawierające literę S i odpowiedni symbol parametru profilu (np. SRa odpowiada parametrowi profilu Ra). Różnice pomiędzy wartościami parametrów opisujących uśrednione cechy profilu Ra, Rq, Rsk, Rku a odpowiadającymi im parametrami opisującymi uśrednione cechy mikrostereometrii powierzchni są nieduże i wynikają przedewszystkim z fluktuacji położenia linii średniej względem powierzchni średniej. Największe różnice występują w przypadku parametrów opisujących położenie ekstremalne punktów powierzchni i profilu np. St i Rm (np. dla powierzchni obrobionej elektrśrozyjnie Ra = 0,5 μm, Sa = 0,65 μm, Rm = 4,2 μm, SRm = 12,5 μm). Różnice te wynikają z reguły, według której dla zbiorów wartości losowych, którymi są rzędne chropowatości powierzchni, ich rozstęp rośnie wraz ze wzrostem liczebności próbki, a powierzchnia pomiarowa stanowi wielokrotnie większą próbkę w odniesieniu do linii [2].

W drugiej grupie stanowiącej parametry łączące cechy powierzchniowe i objętościowe związane bezpośrednio lub pośrednio z nośnością powierzchni oraz parametry opisujące przestrzenną krzywą nośności mają następujące odpowiedniki na płaszczyźnie:

  • STp − Tp − udział nośny powierzchni,

  • SHTp − odległość pomiędzy poziomami, dla których określono dwie analizowane wartości udziału nośnego powierzchni,

  • Sk − Rk − wysokość rdzenia chropowatości,

  • Spk − Rpk − wysokość wierzchołków (wzniesień) chropowatości,

  • Svk − Rvk − wysokość wgłębień (dolin) chropowatości,

  • Sr1 − Mr1 − górna powierzchnia nośna,

  • Sr2 − Mr2 − dolna powierzchnia nośna,

  • Sbi − wskaźnik/indeks nośności; zawiera się między 0,3−2; większej wartości odpowiada większa liczba/objętość wgłębień (nisz) smarnych,

  • Sci − wskaźnik/indeks retencji rdzenia chropowatości umożliwia ocenę przep ływu płynu (przemieszczania smaru) w rdzeniu chropowatości,

  • Svi − wskaźnik/indeks retencji dolin chropowatości umożliwia ocenę możliwości przepływu płynu (przemieszczania smaru) w strefie dolin chropowatości (w

 

Używamy plików cookie, żeby ciągle poprawiać jakość witryny.
Dowiedz się więcej.